JP2021069997A - Ｕｆｂ含有液作製装置、及びｕｆｂ含有液作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の一部に動作不良が生じた場合にも、ＵＦＢ含有液を継続して供給することが可能なＵＦＢ含有液作製装置を提供する。【解決手段】ＵＦＢ含有液作製装置１Ａは、液体入力部１０１０から供給された液体を用いてＵＦＢ含有液を作製する作製部１０２０を備える。さらに、ＵＦＢ含有液作製装置は、作製部から出力された液体を受容し液体出力部１０４０へと出力するバッファ槽１０３０と、作製部からバッファ槽へのＵＦＢ含有液の出力を制御する制御手段１０００と、を備える。【選択図】図１２

Description

本発明は、直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブル（ＵＦＢ）を含有したＵＦＢ含有液を作製するＵＦＢ含有液作製装置、及びＵＦＢ含有液作製方法に関する。

近年、直径がマイクロメートルサイズのマイクロバブル、及び直径がナノメートルサイズのナノバブル等の微細なバブルの特性を応用する技術が開発されてきている。特に、直径が１．０μｍ未満のウルトラファインバブル（Ｕｌｔｒａ Ｆｉｎｅ Ｂｕｂｂｌｅ；「ＵＦＢ」）については、その有用性が様々な分野において確認されている。

特許文献１には、液体入力槽から供給された液体にＵＦＢ生成手段でＵＦＢを発生させた後、ＵＦＢ含有液を液体出力槽に出力するという経路を備える。さらに、液体出力槽に出力された液体を再び液体入力槽へと還流させる循環経路を形成し、ＵＦＢ生成手段に戻してＵＦＢ含有液を繰り返し通過させることにより、ＵＦＢの含有濃度を高めることも提案されている。

特開２０１９−０４２７３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の装置では、ＵＦＢ含有液の作製中に、ＵＦＢ生成手段やポンプ等の構成要素が故障した場合、故障部分の交換や修理等を行なう間にＵＦＢの生成が中断されるという課題があった。

よって本発明は、装置の一部に動作不良が生じた場合にも、ＵＦＢ含有液を継続して供給することが可能なＵＦＢ含有液作製装置及びＵＦＢ含有液作製方法の提供を目的とする。

本発明は、液体入力部から供給された液体を用いてＵＦＢを含有したＵＦＢ含有液を作製し、当該作製したＵＦＢ含有液を出力する作製部と、前記作製部から出力された液体を受容し、受容した液体を液体出力部へと出力するバッファ槽と、前記作製部から前記バッファ槽へのＵＦＢ含有液の出力を制御する制御手段と、を備えることを特徴とするＵＦＢ含有液作製装置である。

本発明によれば、装置の一部に動作不良が生じた場合にも、ＵＦＢ含有液を継続して供給することが可能になる。

ＵＦＢ含有液作製装置の一例を示す図である。 前処理ユニットの概略構成図である。 溶解ユニットの概略構成図及び液体の溶解状態を説明するための図である。 Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットの概略構成図である。 発熱素子の詳細を説明するための図である。 発熱素子における膜沸騰の様子を説明するための図である。 膜沸騰泡の膨張に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 膜沸騰泡の収縮に伴ってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 液体の再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 膜沸騰で生成される泡の消泡時の衝撃波によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。 後処理ユニットの構成例を示す図である。 本実施形態におけるＵＦＢ含有液作製装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図１２に示すＵＦＢ含有液作製装置の構成をより詳細に示すブロック図である。 本実施形態における制御系の概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態により実行される制御を示すタイミングチャートである。 第１実施形態の制御動作を示すフローチャートであり、メインフローを示す。 第１実施形態の制御動作を示すフローチャートであり、サブフローを示す。 第２実施形態により実行される制御を示すタイミングチャートである。 第２実施形態の変形例により実行される制御を示すタイミングチャートである。 第３実施形態の構成を示すブロック図である。 従来のＵＦＢ含有液作製装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

（ＵＦＢ含有液作製装置の基本構成）
図１は、本発明に適用可能なＵＦＢ含有液作製装置１の基本構成の一例を示す図である。ＵＦＢ含有液作製装置１は、前処理ユニット１００、溶解ユニット２００、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００、及び回収ユニット５００を含む。前処理ユニット１００に供給された液体道液体などの液体Ｗは、上記の順番で各ユニット固有の処理が施され、Ｔ−ＵＦＢ含有液として回収ユニット５００で回収される。以下、各ユニットの機能及び構成について説明する。

図２は、前処理ユニット１００の概略構成図である。本実施形態の前処理ユニット１００は、供給された液体Ｗに対し脱気処理を行う。前処理ユニット１００は、主に、脱気容器１０１、シャワーヘッド１０２、減圧ポンプ１０３、液体導入路１０４、液体循環路１０５、液体導出路１０６を有する。例えば液体道液体のような液体Ｗは、開閉バルブ１０９を介して、液体導入路１０４から脱気容器１０１に供給される。この際、脱気容器１０１に設けられたシャワーヘッド１０２が、液体Ｗを霧状にして脱気容器１０１内に噴霧する。シャワーヘッド１０２は、液体Ｗの気化を促すためのものであるが、気化促進効果を生み出す機構としては、遠心分離器なども代替可能である。

ある程度の液体Ｗが脱気容器１０１に貯留された後、全ての開閉バルブを閉じた状態で減圧ポンプ１０３を作動させると、既に気化している気体成分が排出されるとともに、液体Ｗに溶解している気体成分の気化と排出も促される。この際、脱気容器１０１の内圧は、圧力計１０８を確認しながら数百〜数千Ｐａ（１．０Ｔｏｒｒ〜１０．０Ｔｏｒｒ）程度に減圧されればよい。脱気ユニット１００によって脱気される気体としては、例えば窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素などが含まれる。

以上説明した脱気処理は、液体循環路１０５を利用することにより、同じ液体Ｗに対して繰り返し行うことができる。具体的には、液体導入路１０４の開閉バルブ１０９と液体導出路１０６の開閉バルブ１１０を閉塞し、液体循環路１０６の開閉バルブ１０６、１０７を開放した状態で、シャワーヘッド１０２を作動させる。これにより、脱気容器１０１に貯留され、脱気処理が一度行われた液体Ｗは、再びシャワーヘッド１０２を介して脱気容器１０１に噴霧される。更に、減圧ポンプ１０３を作動させることにより、シャワーヘッド１０２による気化処理と減圧ポンプ１０３による脱気処理が、同じ液体Ｗに対し重ねて行われることになる。そして、液体循環路１０５を利用した上記繰り返し処理を行う度に、液体Ｗに含まれる気体成分を段階的に減少させていくことができる。所望の純度に脱気された液体Ｗが得られると、開閉バルブ１１０を開放することにより、液体Ｗは液体導出路１０６を経て溶解ユニット２００に送液される。

なお、図２では、気体部を低圧にして溶解物を気化させる脱気ユニット１００を示したが、溶解した液体を脱気させる方法はこれに限らない。例えば、液体Ｗを煮沸して溶解物を気化させる加熱煮沸法を採用してもよいし、中空糸を用いて液体と気体の界面を増大させる膜脱気方法を採用してもよい。中空糸を用いた脱気モジュールとしては、ＳＥＰＡＲＥＬシリーズ（大日本インキ社製）が市販されている。これは、中空糸膜の原料にポリ４−メチルペンテン−１（ＰＭＰ）を用いて、主にピエゾヘッド向けに供給するインクなどから気泡を脱気する目的で使用されている。更に、真空脱気法、加熱煮沸法、及び膜脱気方法の２つ以上を併用してもよい。

図３（ａ）及び（ｂ）は、溶解ユニット２００の概略構成図及び液体の溶解状態を説明するための図である。溶解ユニット２００は、前処理ユニット１００より供給された液体Ｗに対し所望の気体を溶解させるユニットである。本実施形態の溶解ユニット２００は、主に、溶解容器２０１、回転板２０２が取り付けられた回転シャフト２０３、液体導入路２０４、気体導入路２０５、液体導出路２０６、及び加圧ポンプ２０７を有する。

前処理ユニット１００より供給された液体Ｗは、液体導入路２０４より、液体導入開閉バルブ２１１を介して溶解容器２０１に供給され貯留される。一方、気体Ｇは気体導入路２０５より気体導入開閉バルブ２１０を介して溶解容器２０１に供給される。なお、この液体導入開閉バルブ２１１及び気体導入開閉バルブ２１０をまとめて、以下に説明する実施形態においては導入開閉バルブ２１２とも言う。

所定量の液体Ｗと気体Ｇが溶解容器２０１に貯留されると、加圧ポンプ２０７を作動し溶解容器２０１の内圧を０．５Ｍｐａ程度まで上昇させる。加圧ポンプ２０７と溶解容器２０１の間には安全弁２０８が配されている。また、回転シャフト２０３を介して液中の回転板２０２を回転させることにより、溶解容器２０１に供給された気体Ｇを気泡化し、液体Ｗとの接触面積を大きくし、液体Ｗ中への溶解を促進する。そしてこのような作業を、気体Ｇの溶解度がほぼ最大飽和溶解度に達するまで継続する。この際、可能な限り多くの気体を溶解させるために、液体の温度を低下させる手段を配してもよい。また、難溶解性の気体の場合は、溶解容器２０１の内圧を０．５ＭＰａ以上に上げる事も可能である。その場合は、安全面から容器の材料などを最適にする必要がある。

気体Ｇの成分が所望の濃度で溶解された液体Ｗが得られると、液体Ｗは液体導出路２０６を経由して排出され、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給される。この際、背圧弁２０９は、供給時の圧力が必要以上に高くならないように液体Ｗの流圧を調整する。

図３（ｂ）は、溶解容器２０１で混入された気体Ｇが溶解していく様子を模式的に示す図である。液体Ｗ中に混入された気体Ｇの成分を含む気泡２は、液体Ｗに接触している部分から溶解する。このため、気泡２は徐々に収縮し、気泡２の周囲には気体溶解液３が存在する状態となる。気泡２には浮力が作用するため、気泡２は気体溶解液３の中心から外れた位置に移動したり、気体溶解液３から分離して残存気泡４となったりする。すなわち、液体導出路２０６を介してＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給される液体Ｗには、気体溶解液３が気泡２を囲った状態のものや、気体溶解液３と気泡２が互いに分離した状態のものが混在している。

なお、図において気体溶解液３とは、「液体Ｗ中において、混入された気体Ｇの溶解濃度が比較的高い領域」を意味している。実際に液体Ｗに溶解している気体成分においては、気泡２の周囲や、気泡２と分離した状態であっても領域の中心で濃度が最も高く、その位置から離れるほど気体成分の濃度は連続的に低くなる。すなわち、図３（ｂ）では説明のために気体溶解液３の領域を破線で囲っているが、実際にはこのような明確な境界が存在するわけではない。また、本発明においては、完全に溶解しない気体が、気泡の状態で液体中に存在しても許容される。

図４は、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００の概略構成図である。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００は、主に、チャンバー３０１、液体導入路３０２、液体導出路３０３を備え、液体導入路３０２からチャンバー３０１内を経て液体導出路３０３に向かう流れが、不図示の流動ポンプによって形成されている。流動ポンプとしては、ダイヤフラムポンプ、ギアポンプ、スクリューポンプなど各種ポンプを採用することができる。液体導入路３０２から導入される液体Ｗには、溶解ユニット２００によって混入された気体Ｇの気体溶解液３が混在している。

チャンバー３０１の底面には発熱素子１０が設けられた素子基板１２が配されている。発熱素子１０に所定の駆動パルス（電圧パルス）が印加されることにより、発熱素子１０に接触する領域に膜沸騰により生じる泡１３（以下、膜沸騰泡１３ともいう）が発生し、膜沸騰泡１３の膨張や収縮に伴って気体Ｇを含有するウルトラファインバブル（ＵＦＢ１１）が生成される。その結果、液体導出路３０３からは多数のＵＦＢ１１が含まれたＵＦＢ含有液Ｗが導出される。

図５（ａ）及び（ｂ）は、発熱素子１０の詳細構造を示す図である。図５（ａ）は発熱素子１０の近傍、同図（ｂ）は発熱素子１０を含むより広い領域の素子基板１２の断面図をそれぞれ示している。

図５（ａ）に示すように、本実施形態の素子基板１２は、シリコン基板３０４の表面に、蓄熱層としての熱酸化膜３０５と、蓄熱層を兼ねる層間膜３０６と、が積層されている。層間膜３０６としては、ＳｉＯ２膜、または、ＳｉＮ膜を用いることができる。層間膜３０６の表面には抵抗層３０７が形成され、その抵抗層３０７の表面に、配線３０８が部分的に形成されている。配線３０８としては、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、またはＡｌ−ＣｕなどのＡｌ合金配線を用いることができる。これらの配線３０８、抵抗層３０７、及び、層間膜３０６の表面には、ＳｉＯ₂膜、またはＳｉ₃Ｎ₄膜から成る保護層３０９が形成されている。

保護層３０９の表面において、結果的に発熱素子１０となる熱作用部３１１に対応する部分、及び、その周囲には、抵抗層３０７の発熱に伴う化学的、及び物理的な衝撃から保護層３０９を保護するための耐キャビテーション膜３１０が形成されている。抵抗層３０７の表面において、配線３０８が形成されていない領域は、抵抗層３０７が発熱する熱作用部３１１である。配線３０８が形成されていない抵抗層３０７の発熱部分は、発熱素子（ヒータ）１０として機能する。このように素子基板１２における層は、半導体の製造技術によってシリコン基板３０４の表面に順次に形成され、これにより、シリコン基板３０４に熱作用部３１１が備えられる。

なお、図に示す構成は一例であり、その他の各種構成が適用可能である。例えば、抵抗層３０７と配線３０８との積層順が逆の構成、及び抵抗層３０７の下面に電極を接続させる構成（所謂プラグ電極構成）が適用可能である。つまり、後述するように、熱作用部３１１により液体を加熱して、液体中に膜沸騰を生じさせることができる構成であればよい。

図５（ｂ）は、素子基板１２において、配線３０８に接続される回路を含む領域の断面図の一例である。Ｐ型導電体であるシリコン基板３０４の表層には、Ｎ型ウェル領域３２２、及び、Ｐ型ウェル領域３２３が部分的に備えられている。一般的なＭＯＳプロセスによるイオンインプランテーションなどの不純物の導入、及び拡散によって、Ｎ型ウェル領域３２２にＰ−ＭＯＳ３２０が形成され、Ｐ型ウェル領域３２３にＮ−ＭＯＳ３２１が形成される。

Ｐ−ＭＯＳ３２０は、Ｎ型ウェル領域３２２の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域３２５及びドレイン領域３２６と、ゲート配線３３５などから構成されている。ゲート配線３３５は、ソース領域３２５及びドレイン領域３２６を除くＮ型ウェル領域３２２の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。

Ｎ−ＭＯＳ３２１は、Ｐ型ウェル領域３２３の表層に部分的にＮ型あるいはＰ型の不純物を導入してなるソース領域３２５及びドレイン領域３２６と、ゲート配線３３５などから構成されている。ゲート配線３３５は、ソース領域３２５及びドレイン領域３２６を除くＰ型ウェル領域３２３の部分の表面に、厚さ数百Åのゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。ゲート配線３３５は、ＣＶＤ法により堆積された厚さ３０００Å〜５０００Åのポリシリコンからなる。これらのＰ−ＭＯＳ３２０及びＮ−ＭＯＳ３２１によって、Ｃ−ＭＯＳロジックが構成される。

Ｐ型ウェル領域３２３において、Ｎ−ＭＯＳ３２１と異なる部分には、電気熱変換素子（発熱抵抗素子）の駆動用のＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０が形成されている。Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０は、不純物の導入及び拡散などの工程によりＰ型ウェル領域３２３の表層に部分的に形成されたソース領域３３２及びドレイン領域３３１と、ゲート配線３３３などから構成されている。ゲート配線３３３は、Ｐ型ウェル領域３２３におけるソース領域３３２及びドレイン領域３３１を除く部分の表面に、ゲート絶縁膜３２８を介して堆積されている。

本例においては、電気熱変換素子の駆動用トランジスタとして、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ３３０を用いた。しかし、その駆動用トランジスタは、複数の電気熱変換素子を個別に駆動する能力を持ち、かつ、上述したような微細な構造を得ることができるトランジスタであればよく、Ｎ−ＭＯＳトランジスタ４３０には限定されない。また本例においては、電気熱変換素子と、その駆動用トランジスタと、が同一基板上に形成されているが、これらは、別々の基板に形成してもよい。

Ｐ−ＭＯＳ３２０とＮ−ＭＯＳ３２１との間、及びＮ−ＭＯＳ３２１とＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０との間等の各素子間には、５０００Å〜１００００Åの厚さのフィールド酸化により酸化膜分離領域３２４が形成されている。この酸化膜分離領域３２４によって各素子が分離されている。酸化膜分離領域３２４において、熱作用部３１１に対応する部分は、シリコン基板３０４上の一層目の蓄熱層３３４として機能する。

Ｐ−ＭＯＳ３２０、Ｎ−ＭＯＳ３２１、及びＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０の各素子の表面には、ＣＶＤ法により、厚さ約７０００ÅのＰＳＧ膜、またはＢＰＳＧ膜などから成る層間絶縁膜３３６が形成されている。層間絶縁膜３３６を熱処理により平坦にした後に、層間絶縁膜３３６及びゲート絶縁膜４２８を貫通するコンタクトホールを介して、第１の配線層となるＡｌ電極３３７が形成される。層間絶縁膜３３６及びＡｌ電極３３７の表面には、プラズマＣＶＤ法により、厚さ１００００Å〜１５０００ÅのＳｉＯ２膜から成る層間絶縁膜３３８が形成される。層間絶縁膜３３８の表面において、熱作用部３１１及びＮ−ＭＯＳトランジスタ３３０に対応する部分には、コスパッタ法により、厚さ約５００ÅのＴａＳｉＮ膜から成る抵抗層３０７が形成される。抵抗層３０７は、層間絶縁膜３３８に形成されたスルーホールを介して、ドレイン領域３３１の近傍のＡｌ電極３３７と電気的に接続される。抵抗層３０７の表面には、各電気熱変換素子への配線となる第２の配線層としてのＡｌの配線３０８が形成される。配線３０８、抵抗層３０７、及び層間絶縁膜３３８の表面の保護層３０９は、プラズマＣＶＤ法により形成された厚さ３０００ÅのＳｉＮ膜から成る。保護層３０９の表面に堆積された耐キャビテーション膜３１０は、Ｔａ、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｇｅ，Ｒｕ，Ｚｒ，Ｉｒ等から選択される少なくとも１つ以上の金属であり、厚さ約２０００Åの薄膜から成る。抵抗層３０７としては、上述したＴａＳｉＮ以外のＴａＮ０．８、ＣｒＳｉＮ、ＴａＡｌ、ＷＳｉＮ等、液体中に膜沸騰を生じさせることができるものであれば各種材料が適用可能である。

図６（ａ）及び（ｂ）は、発熱素子１０に所定の電圧パルスを印加した場合の膜沸騰の様子を示す図である。ここでは、大気圧のもとでの膜沸騰を生じさせた場合を示している。図６（ａ）において、横軸は時間を示す。また、下段のグラフの縦軸は発熱素子１０に印加される電圧を示し、上段のグラフの縦軸は膜沸騰により発生した膜沸騰泡１３の体積と内圧を示す。一方、図６（ｂ）は、膜沸騰泡１３の様子を、図６（ａ）に示すタイミング１〜３に対応づけて示している。以下、時間に沿って各状態を説明する。

発熱素子１０に電圧が印加される前、チャンバー３０１内はほぼ大気圧が保たれている。発熱素子１０に電圧が印加されると、発熱素子１０に接する液体に膜沸騰が生じ、発生した気泡（以下、膜沸騰泡１３と称す）は内側から作用する高い圧力によって膨張する（タイミング１）。このときの発泡圧力は約８〜１０ＭＰａとみなされ、これは液体の飽和蒸気圧に近い値である。

電圧の印加時間（パルス幅）は０．５ｕＳｅｃ〜１０．０ｕＳｅｃ程度であるが、電圧が印加されなくなった後も、膜沸騰泡１３はタイミング１で得られた圧力の慣性によって膨張する。但し、膜沸騰泡１３の内部では膨張に伴って発生した負圧力が徐々に大きくなり、膜沸騰泡１３を収縮する方向に作用する。やがて慣性力と負圧力が釣り合ったタイミング２で膜沸騰泡１３の体積は最大となり、その後は負圧力によって急速に収縮する。

膜沸騰泡１３が消滅する際、膜沸騰泡１３は発熱素子１０の全面ではなく、１箇所以上の極めて小さな領域で消滅する。このため、発熱素子１０においては、膜沸騰泡１３が消滅する極めて小さな領域に、タイミング１で示す発泡時よりも更に大きな力が発生する（タイミング３）。

以上説明したような膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅は、発熱素子１０に電圧パルスが印加されるたびに繰り返され、そのたびに新たなＵＦＢ１１が生成される。

次に、膜沸騰泡１３の発生、膨張、収縮及び消滅の各過程において、ＵＦＢ１１が生成される様子を更に詳しく説明する。

図７（ａ）〜（ｄ）は、膜沸騰泡１３の発生及び膨張に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を示す図である。図７（ａ）は、発熱素子１０に電圧パルスが印加される前の状態を示している。チャンバー３０１の内部には、気体溶解液３が混在した液体Ｗが流れている。

図７（ｂ）は、発熱素子１０に電圧が印加され、液体Ｗに接している発熱素子１０のほぼ全域で膜沸騰泡１３が一様に発生した様子を示している。電圧が印加されたとき、発熱素子１０の表面温度は１０℃／μＳｅｃ以上の速度で急激に上昇し、ほぼ３００℃に達した時点で膜沸騰が起こり、膜沸騰泡１３が生成される。

発熱素子１０の表面温度は、その後もパルスの印加中に６００〜８００℃程度まで上昇し、膜沸騰泡１３の周辺の液体も急激に加熱される。図では、膜沸騰泡１３の周辺に位置し、急激に加熱される液体の領域を未発泡高温領域１４として示している。未発泡高温領域１４に含まれる気体溶解液３は熱的溶解限界を超えて析出しＵＦＢとなる。析出した気泡の直径は１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であり、高い気液界面エネルギを有している。そのため、短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３の膨張時に熱的作用によって生成される気泡を第１のＵＦＢ１１Ａと称す。

図７（ｃ）は、膜沸騰泡１３が膨張する過程を示している。発熱素子１０への電圧パルスの印加が終了しても、膜沸騰泡１３は発生したときに得た力の慣性によって膨張を続け、未発泡高温領域１４も慣性によって移動及び拡散する。すなわち、膜沸騰泡１３が膨張する過程において、未発泡高温領域１４に含まれた気体溶解液３が新たに気泡となって析出し、第１のＵＦＢ１１Ａとなる。

図７（ｄ）は、膜沸騰泡１３が最大体積となった状態を示している。膜沸騰泡１３は慣性によって膨張するが、膨張に伴って膜沸騰泡１３の内部の負圧は徐々に高まり、膜沸騰泡１３を収縮しようとする負圧力として作用する。そして、この負圧力が慣性力と釣り合った時点で、膜沸騰泡１３の体積は最大となり、以後収縮に転じる。

図８（ａ）〜（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮に伴ってＵＦＢ１１が生成される様子を示す図である。図８（ａ）は、膜沸騰泡１３が収縮を開始した状態を示している。膜沸騰泡１３が収縮を開始しても、周囲の液体Ｗには膨張する方向の慣性力が残っている。よって、膜沸騰泡１３の極周囲には、発熱素子１０から離れる方向に作用する慣性力と、膜沸騰泡１３の収縮に伴って発熱素子１０に向かう力とが作用し、減圧された領域となる。図では、そのような領域を未発泡負圧領域１５として示している。

未発泡負圧領域１５に含まれる気体溶解液３は、圧的溶解限界を超え、気泡として析出する。析出した気泡の直径は１００ｎｍ程度であり、その後短時間で消滅することもなく液体Ｗ内で独立を保ながら浮遊する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の圧力的作用によって析出する気泡を、第２のＵＦＢ１１Ｂと称す。

図８（ｂ）は、膜沸騰泡１３が収縮する過程を示している。膜沸騰泡１３が収縮する速度は負圧力によって加速し、未発泡負圧領域１５も膜沸騰泡１３の収縮に伴って移動する。すなわち、膜沸騰泡１３が収縮する過程において、未発泡負圧領域１５が通過する箇所の気体溶解液３が次々に析出し、第２のＵＦＢ１１Ｂとなる。

図８（ｃ）は、膜沸騰泡１３が消滅する直前の様子を示している。膜沸騰泡１３の加速度的な収縮により、周囲の液体Ｗの移動速度も増大するが、チャンバー３０１内の流路抵抗によって圧力損失が生じる。その結果、未発泡負圧領域１５が占める領域は更に大きくなり、多数の第２のＵＦＢ１１Ｂが生成される。

図９（ａ）〜（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮時において、液体Ｗの再加熱によってＵＦＢが生成される様子を示す図である。図９（ａ）は、発熱素子１０の表面が収縮する膜沸騰泡１３に被覆されている状態を示している。

図９（ｂ）は、膜沸騰泡１３の収縮が進み、発熱素子１０の表面の一部が液体Ｗに接触した状態を示している。このとき発熱素子１０の表面には、液体Ｗが接しても膜沸騰には到らないほどの熱が残っている。図では、発熱素子１０の表面に接することにより加熱される液体の領域を未発泡再加熱領域１６として示している。膜沸騰には到らないものの、未発泡再加熱領域１６に含まれる気体溶解液３は、熱的溶解限界を超えて析出する。本実施形態では、このように膜沸騰泡１３が収縮する際の液体Ｗの再加熱によって生成される気泡を第３のＵＦＢ１１Ｃと称す。

図９（ｃ）は、膜沸騰泡１３の収縮が更に進んだ状態を示している。膜沸騰泡１３が小さくなるほど、液体Ｗに接する発熱素子１０の領域が大きくなるため、第３のＵＦＢ１１Ｃは、膜沸騰泡１３が消滅するまで生成される。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、膜沸騰で生成された膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃（所謂、キャビテーションの一種）によって、ＵＦＢが生成される様子を示す図である。図１０（ａ）は、膜沸騰泡１３が消滅する直前の様子を示している。膜沸騰泡１３は内部の負圧力によって急激に収縮し、その周囲を未発泡負圧領域１５が覆う状態となっている。

図１０（ｂ）は、膜沸騰泡１３が点Ｐで消滅した直後の様子を示している。膜沸騰泡１３が消泡するとき、その衝撃により音響波が点Ｐを起点として同心円状に広がる。音響波とは、気体、液体、固体を問わず伝播する弾性波の総称であり、本実施形態においては、液体Ｗの粗密、すなわち液体Ｗの高圧面１７Ａと低圧面１７Ｂ、とが交互に伝播される。

この場合、未発泡負圧領域１５に含まれる気体溶解液３は、膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃波によって共振され、低圧面１７Ｂが通過するタイミングで圧的溶解限界を超えて相転移する。すなわち、膜沸騰泡１３の消滅と同時に、未発泡負圧領域１５内には多数の気泡が析出する。本実施形態ではこのような膜沸騰泡１３が消泡する時の衝撃波によって生成される気泡を第４のＵＦＢ１１Ｄと称す。

膜沸騰泡１３の消泡時の衝撃波よって生成される第４のＵＦＢ１１Ｂは、極めて狭い薄膜的領域に極めて短時間（１μＳ以下）で突発的に出現する。直径は第１，〜第３のＵＦＢよりも十分小さく、第１，〜第３のＵＦＢよりも気液界面エネルギが高い。このため、第４のＵＦＢ１１Ｄは、第１，〜第３のＵＦＢ１１Ａ〜１１Ｃとは異なる性質を有し異なる効果を生み出すものと考えられる。

また、第４のＵＦＢ１１Ｄは、衝撃波が伝播する同心球状の領域のいたる所で一様に発生するため、生成された時点からチャンバー３０１内に一様に存在することになる。第４のＵＦＢ１１Ｄが生成されるタイミングでは、第１，〜第３のＵＦＢが既に多数存在しているが、これら第１，〜第３のＵＦＢの存在が第４のＵＦＢ１１Ｄの生成に大きく影響することはない。また、第４のＵＦＢ１１Ｄの発生によって第１，〜第３のＵＦＢが消滅することもない。

以上説明したように発熱素子１０の発熱により膜沸騰泡１３が発生し消泡するまでの複数の段階においてＵＦＢ１１が発生する。上述した例では膜沸騰泡１３が消泡するまでの例を示したがＵＦＢを発生させるためにはこれに限られない。例えば、発生した膜沸騰泡１３が消泡する前に大気と連通することで、膜沸騰泡１３が消耗まで至らない場合においてもＵＦＢの生成が可能である。

次にＵＦＢの残存特性について説明する。液体の温度が高いほど気体成分の溶解特性は低くなり、温度が低いほど気体成分の溶解特性は高くなる。すなわち、液体の温度が高いほど、溶解している気体成分の相転移が促され、ＵＦＢが生成されやすくなる。液体の温度と気体の溶解度は反比例の関係にあり、液体の温度上昇により、飽和溶解度を超えた気体が気泡になって液体中に析出される。

このため、液体の温度が常温から急激に上昇すると溶解特性が一気に下がり、ＵＦＢが生成され始める。そして、温度が上がるほど熱的溶解特性は下がり、多くのＵＦＢが生成される状況となる。

反対に液体の温度が常温から下降すると、気体の溶解特性は上昇し、生成されたＵＦＢは液化しやすくなる。しかしながら、このような温度は、常温よりも十分に低い。更に、液体の温度が下がっても、一度発生したＵＦＢは高い内圧と高い気液界面エネルギを有するため、この気液界面を破壊するほどの高い圧力が作用する可能性は極めて低い。すなわち、一度生成されたＵＦＢは、液体を常温常圧で保存する限り、簡単に消滅することはない。

本実施形態において、図７（ａ）〜（ｃ）で説明した第１のＵＦＢ１１Ａ、及び図９（ａ）〜（ｃ）で説明した第３のＵＦＢ１１Ｃは、このような気体の熱的溶解特性を利用して生成されたＵＦＢと言える。

一方、図１１（ｂ）において、横軸は液体の圧力を示し、ＲＴは常圧（ほぼ大気圧）を示す。また、縦軸は液体Ｗに対する気体Ｇの溶解特性を示す。液体の圧力が高いほど気体の溶解特性は高くなり、圧力が低いほど溶解特性は低くなる。すなわち液体の圧力が低いほど、液体に溶解している気体溶解液の気体への相転移が促され、ＵＦＢが生成されやすくなる。

図１１（ｂ）によれば、液体の圧力が常圧ＲＰから下がりＰ２（＜ＲＰ）を下回ると、溶解特性が一気に下がり、ＵＦＢが生成され始める。そして、Ｐ２からＰ１（＜Ｐ２）の間では、圧力が下がるほど圧的溶解特性は下がり、多くのＵＦＢが生成される状況となる。

反対に液体の圧力が常圧ＲＰから上昇しＰ３よりも高くなると、気体の溶解特性は上昇し、生成されたＵＦＢは液化しやすくなる。しかしながら、このような圧力Ｐ３は、大気圧よりも十分に高い１０．０気圧以上である。更に、液体の圧力がＰ３以上になったとしても、一度発生したＵＦＢは高い内圧と高い気液界面エネルギを有するため、この気液界面を破壊するほどの高い圧力が作用する可能性は極めて低い。すなわち、一度生成されたＵＦＢは、液体を常温常圧で保存する限り、簡単に消滅することはない。

本実施形態において、図８（ａ）〜（ｃ）で説明した第２のＵＦＢ１１Ｂ、及び図１０（ａ）〜（ｃ）で説明した第４のＵＦＢ１１Ｄは、このような気体の圧力的溶解特性を利用して生成されたＵＦＢと言える。

以上では、生成される要因の異なる第１，〜第４のＵＦＢを個別に説明してきたが、上述した生成要因は、膜沸騰という事象に伴って同時多発的に起こるものである。このため、第１，〜第４のＵＦＢのうち少なくとも２種類以上のＵＦＢが同時に生成されることもあり、これら生成要因が互いに協働してＵＦＢを生成することもある。但し、いずれの生成要因も、膜沸騰現象によって招致されることは共通している。以下、本明細書では、このように急激な発熱に伴う膜沸騰を利用してＵＦＢを生成する方法を、Ｔ−ＵＦＢ（Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｕｌｔｒａ Ｆｉｎｅ Ｂｕｂｂｌｅ）生成方法と称す。また、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成したＵＦＢをＴ−ＵＦＢ、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ−ＵＦＢを含有する液体をＴ−ＵＦＢ含有液と称す。

Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成される気泡はその殆どが１．０ｕｍ以下であり、ミリバブルやマイクロバブルは生成され難い。すなわち、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によれば、ＵＦＢのみが効率的に生成されることになる。また、Ｔ−ＵＦＢ生成方法によって生成されたＴ−ＵＦＢは、従来法によって生成されたＵＦＢよりも高い気液界面エネルギを有し、常温常圧で保存する限り簡単に消滅することはない。更に、新たな膜沸騰によって新たなＴ−ＵＦＢが生成されても、先行して生成されていたＴ−ＵＦＢがその衝撃によって消滅することもない。つまり、Ｔ−ＵＦＢ含有液に含まれるＴ−ＵＦＢの数や濃度は、Ｔ−ＵＦＢ含有液における膜沸騰の発生回数に対しヒステリシス特性を有すると言える。言い替えると、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００に配する発熱素子の数や発熱素子に対する電圧パルスの印加回数を制御することにより、Ｔ−ＵＦＢ含有液に含まれるＴ−ＵＦＢの濃度を調整することができる。

再び図１を参照する。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００において、所望のＵＦＢ濃度を有するＴ−ＵＦＢ含有液Ｗが生成されると、当該ＵＦＢ含有液Ｗは、後処理ユニット４００に供給される。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の後処理ユニット４００の構成例を示す図である。本実施形態の後処理ユニット４００は、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれる不純物を、無機物イオン、有機物、不溶固形物、の順に段階に除去する。

図１１（ａ）は、無機物イオンを除去するための第１の後処理機構４１０を示す。第１の後処理機構４１０は、交換容器４１１、陽イオン交換樹脂４１２、液体導入路４１３、集液体管４１４及び液体導出路４１５を備えている。交換容器４１１には、陽イオン交換樹脂４１２が収容されている。Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００で生成されたＵＦＢ含有液Ｗは、液体導入路４１３を経由して交換容器４１１に注入され、陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、ここで不純物としての陽イオンが除去される。このような不純物には、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００の素子基板１２より剥離した金属材料などが含まれ、例えばＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣ、Ｔａ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｉｒが挙げられる。

陽イオン交換樹脂４１２は、三次元的な網目構造を持った高分子母体に官能基（イオン交換基）を導入した合成樹脂であり、合成樹脂は０．４〜０．７ｍｍ程度の球状粒子を呈している。高分子母体としては、スチレン−ジビニルベンゼンの共重合体が一般的であり、官能基としては例えばメタクリル酸系とアクリル酸系のものを用いることができる。但し、上記材料は一例である。所望の無機イオンを効果的に除去することができれば、上記材料は様々に変更可能である。陽イオン交換樹脂４１２に吸収され、無機イオンが除去されたＵＦＢ含有液Ｗは、集液体管４１４によって集液体され、液体導出路４１５を介して次の工程に送液される。

図１１（ｂ）は、有機物を除去するための第２の後処理機構４２０を示す。第２の後処理機構４２０は、収容容器４２１、ろ過フィルタ４２２、真空ポンプ４２３、開閉バルブ４２４、液体導入路４２５、液体導出路４２６、及びエア吸引路４２７を備えている。収容容器４２１の内部は、ろ過フィルタ４２２によって上下２つの領域に分割されている。液体導入路４２５は、上下２つの領域のうち上方の領域に接続し、エア吸引路４２７及び液体導出路４２６は下方の領域に接続する。開閉バルブ４２４を閉じた状態で真空ポンプ４２３を駆動すると、収容容器４２１内の空気がエア吸引路４２７を介して排出され、収容容器４２２の内部が負圧になり、液体導入路４２５よりＵＦＢ含有液Ｗが導入される。そして、ろ過フィルタ４２２によって不純物が除去された状態のＵＦＢ含有液Ｗが収容容器４２１に貯留される。

ろ過フィルタ４２２によって除去される不純物には、チューブや各ユニットで混合され得る有機材料が含まれ、例えばシリコンを含む有機化合物、シロキサン、エポキシなどが挙げられる。ろ過フィルタ４２２に使用可能なフィルタ膜としては、細菌系まで除去できるサブμｍメッシュのフィルタや、ウィルスまで除去できるｎｍメッシュのフィルタが挙げられる。

収容容器４２１にＵＦＢ含有液Ｗがある程度貯留された後、真空ポンプ４２３を停止して開閉バルブ４２４を開放すると、収容容器４２１のＴ−ＵＦＢ含有液は液体導出路４２６を介して次の工程に送液される。なお、ここでは、有機物の不純物を除去する方法として真空ろ過法を採用したが、フィルタを用いたろ過方法としては、例えば重力ろ過法や加圧ろ過を採用することもできる。

図１１（ｃ）は、不溶の固形物を除去するための第３の後処理機構４３０を示す。第３の後処理機構４３０は、沈殿容器４３１、液体導入路４３２、導出側開閉バルブ４３３及び液体導出路４３４を備えている。

まず、開閉バルブ４３３を閉じた状態で沈殿容器４３１に所定量のＵＦＢ含有液Ｗを液体導入路４４２より貯留し、しばらく放置する。この間、ＵＦＢ含有液Ｗに含まれている固形物は、重力によって沈殿容器４３１の底部に沈降する。また、ＵＦＢ含有液に含まれるバブルのうち、マイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルも浮力によって液面に浮上し、ＵＦＢ含有液から除去される。十分な時間が経過した後開閉バルブ４３３を開放すると、固形物や大きなサイズのバブルが除去されたＵＦＢ含有液Ｗが液体導出路４３４を介して、回収ユニット５００に送液される。

再度図１を参照する。後処理ユニット４００で不純物が除去されたＴ−ＵＦＢ含有液Ｗは、そのまま回収ユニット５００に送液してもよいが、再び溶解ユニット２００に戻すこともできる。後者の場合、Ｔ−ＵＦＢの生成によって低下したＴ−ＵＦＢ含有液Ｗの気体溶解濃度を、溶解ユニット２００において再び飽和状態まで補填することができる。その上で新たなＴ−ＵＦＢをＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００で生成すれば、上述した特性のもと、Ｔ−ＵＦＢ含有液のＵＦＢ含有濃度を更に上昇させることができる。すなわち、溶解ユニット２００、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００、後処理ユニット４００を巡る循環回数の分だけ、ＵＦＢ含有濃度を高めることができ、所望のＵＦＢ含有濃度が得られた後に、当該ＵＦＢ含有液Ｗを回収ユニット５００に送液することができる。

回収ユニット５００は、後処理ユニット４００より送液されて来たＵＦＢ含有液Ｗを回収及び保存する。回収ユニット５００で回収されたＴ−ＵＦＢ含有液は、様々な不純物が除去された純度の高いＵＦＢ含有液となる。

回収ユニット５００においては、何段階かのフィルタリング処理を行い、ＵＦＢ含有液ＷをＴ−ＵＦＢのサイズごと分類してもよい。また、Ｔ−ＵＦＢ方式により得られるＴ−ＵＦＢ含有液Ｗは、常温よりも高温であることが予想されるため、回収ユニット５００には冷却手段を設けてもよい。なお、このような冷却手段は、後処理ユニット４００の一部に設けられていてもよい。

以上が、ＵＦＢ含有液作製装置１の概略であるが、図示したような複数のユニットは無論変更可能であり、全てを用意する必要は無い。使用する液体Ｗや気体Ｇの種類、また生成するＴ−ＵＦＢ含有液の使用目的に応じて、上述したユニットの一部を省略してもよいし、上述したユニット以外に更に別のユニットを追加してもよい。

例えば、ＵＦＢに含有させる気体が大気である場合は、脱気ユニット１００や溶解ユニット２００を省略することができる。反対に、ＵＦＢに複数種類の気体を含ませたい場合は、溶解ユニット２００を更に追加してもよい。

また、図１１（ａ）〜（ｃ）で示すような不純物を除去するためのユニットは、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けてもよいし、上流と下流の両方に設けてもよい。ＵＦＢ含有液作製装置に供給される液体が液体道液体や雨液体、また汚染液体などの場合は、液体中に有機系や無機系の不純物が含まれている事がある。そのような不純物を含んだ液体ＷをＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００に供給すると、発熱素子１０を変質させたり、塩析現象を招致したりするおそれが生じる。図１１（ａ）〜（ｃ）で示すような機構をＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００よりも上流に設けておくことにより、上記のような不純物を事前に除去することができる。

なお、以上の説明では、上述の各ユニットの開閉バルブ、ポンプ等を含むアクチュエータ部分を制御する制御装置が含まれ、制御装置を用いてユーザの設定に応じたＵＦＢ生成制御が行われる。この制御装置によるＵＦＢ生成制御については、以下に述べる実施形態において説明する。

＜Ｔ−ＵＦＢ含有液に使用可能な液体及び気体＞
ここで、Ｔ−ＵＦＢ含有液を作製するために使用可能な液体Ｗについて説明する。本実施形態で使用可能な液体Ｗとしては、例えば、純液体、イオン交換液体、蒸留液体、生理活性液体、磁気活性液体、化粧液体、液体道液体、海液体、川液体、上下液体、湖液体、地下液体、雨液体などが挙げられる。また、これらの液体等を含む混合液体も使用可能である。また、液体と液体溶性有機溶剤との混合溶媒も使用できる。液体と混合して使用される液体溶性有機溶剤としては特に限定されないが、具体例として、以下のものを挙げることができる。メチルアルコール、エチルアルコール、ｎ−プロピルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブチルアルコール、Ｓｅｃ−ブチルアルコール、ｔｅｒｔ−ブチルアルコールなどの炭素数１乃至４のアルキルアルコール類。Ｎ−メチル−２−ピロリドン、２−ピロリドン、１，３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドなどのアミド類。アセトン、ジアセトンアルコールなどのケトン又はケトアルコール類。テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル類。エチレングリコール、１，２−プロピレングリコール、１，３−プロピレングリコール。１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，４−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，２−ヘキサンジオール、１，６−ヘキサンジオール、３−メチル−１，５−ペンタンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、チオジグリコールなどのグリコール類。エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテルなどの多価アルコールの低級アルキルエーテル類。ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのポリアルキレングリコール類。グリセリン、１，２，６−ヘキサントリオール、トリメチロールプロパンなどのトリオール類。これらの液体溶性有機溶剤は、単独で用いてもよく、または２種以上を併用してもよい。

溶解ユニット２００で導入可能な気体成分としては、例えば、液体素、ヘリウム、酸素、窒素、メタン、フッ素、ネオン、二酸化炭素、オゾン、アルゴン、塩素、エタン、プロパン、空気、などが挙げられる。また、上記のいくつかを含む混合気体であってもよい。さらに、溶解ユニット２００では必ずしも気体状態にある物質を溶解させなくてもよく、所望の成分で構成される液体や固を液体Ｗに融解させてもよい。この場合の溶解としては、自然溶解のほか、圧力付与による溶解であってもよいし、電離による液体和、イオン化、化学反応を伴う溶解であってもよい。

＜Ｔ−ＵＦＢ生成方法の効果＞
次に、以上説明したＴ−ＵＦＢ生成方法の特徴と効果を、従来のＵＦＢ生成方法と比較して説明する。例えばベンチュリー方式に代表される従来の気泡生成装置においては、流路の一部に減圧ノズルのようなメカ的な減圧構造を設け、この減圧構造を通過するように所定の圧力で液体を流すことにより、減圧構造の下流の領域に様々なサイズの気泡を生成している。

この場合、生成された気泡のうち、ミリバブルやマイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルには浮力が作用するため、やがて液面に浮上して消滅してしまう。また、浮力が作用しないＵＦＢについても、然程大きな気液界面エネルギを有していないので、ミリバブルやマイクロバブルとともに消滅してしまう。加えて、上記減圧構造を直列に配置し、同じ液体を繰り返し減圧構造に流したとしても、その繰り返し回数に応じた数のＵＦＢを、長期間保存することはできない。すなわち、従来のＵＦＢ生成方法によって生成されたＵＦＢ含有液では、ＵＦＢ含有濃度を所定の値で長期間維持することは困難であった。

これに対し、膜沸騰を利用する本実施形態のＴ−ＵＦＢ生成方法では、常温から３００℃程度への急激な温度変化や、常圧から数メガパスカル程度への急激な圧力変化を、発熱素子の極近傍に局所的に生じさせている。当該発熱素子は、一辺が数十μｍ〜数百μｍ程度の四辺形をしている。従来のＵＦＢ発生器の大きさに比べると、１／１０〜１／１０００程度である。且つ、膜沸騰泡表面の極薄い膜領域に存在する気体溶解液が、熱的溶解限界または圧力的溶解限界を瞬間的に（マイクロ秒以下の超短時間で）超えることにより、相転移が起こりＵＦＢとなって析出する。この場合、ミリバブルやマイクロバブルのような比較的大きなサイズのバブルは殆ど発生せず、液体には直径が１００ｎｍ程度のＵＦＢが極めて高い純度で含有される。更に、このように生成されたＴ−ＵＦＢは、十分に高い気液界面エネルギを有しているため、通常の環境下において破壊されにくく、長期間の保存が可能である。

特に、液体に対し局所的に気体界面を形成できる膜沸騰現象を用いた本発明であれば、液体領域全体に影響を与えることなく、液体の一部に界面形成し、それに伴う熱的、圧力的に作用する領域を極めて局所的な範囲とすることができる。その結果、安定的に所望のＵＦＢを生成することができる。また、液体を循環して生成液体に対し更にＵＦＢの生成条件を付与することで、既存のＵＦＢへの影響を少なく新たなＵＦＢを追加生成することができる。その結果、比較的容易に、所望のサイズ、濃度のＵＦＢ液を製造することができる。

更に、Ｔ−ＵＦＢ生成方法においては、上述したヒステリシス特性を有するため、高い純度のまま所望の濃度まで含有濃度を高めていくことができる。すなわち、Ｔ−ＵＦＢ生成方法よれば、高純度、高濃度で且つ長期間保存可能なＵＦＢ含有液を、効率的に生成することができる。

＜＜Ｔ−ＵＦＢ含有液の具体的用途＞＞
一般に、ウルトラファインバブル含有液は、内包される気体の種類によって用途が区別される。なお、液体にＰＰＭ〜ＢＰＭ程度の量を液体中に溶解できる気体であれば、いずれの気体においてもＵＦＢ化させることが可能である。１例としては、下記のような用途に応用する事ができる。

・空気を内包させたＵＦＢ含有液は、工業的・農液体産業・医療用などの洗浄や、植物・農液体産物の育成にも好適に用いることができる。

・オゾンを内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農液体産業・医療用などの洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途や、排液体や汚染土壌の環境浄化などにも好適に用いることができる。

・窒素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農液体産業・医療用など洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途や、排液体や汚染土壌の環境浄化などにも好適に用いることができる。

・酸素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農液体産業・医療用など洗浄用途に加え、植物・農液体産物の育成にも好適に用いることができる。

・二酸化炭素を内包したＵＦＢ含有液は、工業的・農液体産業・医療用などの洗浄用途に加え、殺菌、滅菌及び除菌を目的とした用途などに好適に用いることができる。

・医療用ガスであるパーフロロカーボンを内包したＵＦＢ含有液は、超音波診断や治療に好適に用いることができる。このように、ＵＦＢ含有液は、医療・薬品・歯科・食品・工業・農液体産業などの多岐に亘って、効果を発揮することができる。

そして、それぞれの用途において、ＵＦＢ含有液の効果を迅速に且つ確実に発揮するためには、ＵＦＢ含有液に含まれるＵＦＢの純度と濃度が重要となる。すなわち、高純度で所望の濃度のＵＦＢ含有液を作製することが可能な本実施形態のＴ−ＵＦＢ生成方法を利用すれば、様々な分野でこれまで以上の効果を期待することができる。以下、Ｔ−ＵＦＢ生成方法及びＴ−ＵＦＢ含有液を好適に適用可能と想定される用途を列挙する。

（Ａ）液体の精製的用途
・浄液体器に対し、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、浄液体効果やＰＨ調製液の精製効果を高めることが期待できる。また、炭酸液体サーバなどにＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することもできる。

・加湿器、アロマディヒューザー、コーヒーメーカー等にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、室内の加湿効果や消臭効果及び香りの拡散効果を向上させることが期待できる。

・溶解ユニットにおいてオゾンガスを溶解させたＵＦＢ含有液を作製し、これを歯科治療、火傷の治療、内視鏡使用時の傷の手当てなどで用いることにより、医療的な洗浄効果や消毒効果を向上させることが期待できる。

・集合住宅の貯液体槽にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、長期間保存される飲料液体の浄液体効果や塩素の除去効果を向上させることが期待できる。

・日本酒、焼酎、ワインなど、高温の殺菌処理を行うことができない酒造工程において、オゾンや二酸化炭素を含有するＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、従来よりも効率的に低温殺菌処理を行うことが期待できる。

・特定保健食品や機能表示食品の製造過程で、原料にＵＦＢ含有液を混合させることで低温殺菌処理が可能になり、風味を落とさずに、安心かつ機能性を有する食品を提供することができる。

・魚や真珠などの魚介類の養殖場所において、養殖用の海液体や淡液体の供給経路にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、魚介類の産卵や発育を促進させることが期待できる。

・食材保存液体の精製工程にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、食材の保存状態を向上させることが期待できる。

・プール用液体や地下液体などを脱色するための脱色器にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、より高い脱色効果を期待することができる。

・コンクリート部材のひび割れ修復のためにＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、ひび割れ修復の効果向上を期待することができる。

・液体燃料を用いる機器（自動車、船舶、飛行機）等の液体燃料に、Ｔ−ＵＦＢを含有させることにより、燃料のエネルギ効率を向上させることが期待できる。

（Ｂ）洗浄的用途
近年、衣類に付着した汚れなどを除去するための洗浄液体として、ＵＦＢ含有液が注目されている。上記実施形態で説明したＴ−ＵＦＢ生成ユニットを洗濯機に配し、従来よりも純度が高く浸透性に優れたＵＦＢ含有液を洗濯層に供給することにより、更に洗浄力を向上させることが期待できる。

・浴用シャワーや便器洗浄機にＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、人体等、生物全般の洗浄効果のほか、浴室又は便器の液体垢やカビなどの汚染除去を促す効果を期待できる。

・自動車などのウィンドウォッシャー、壁材などを洗浄するための高圧洗浄機、洗車機、食器洗浄機、食材洗浄機等においてＴ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、それぞれの洗浄効果を更に向上させることが期待できる。

・プレス加工後のバリ取り工程など工場で製造した部品を洗浄・整備する際に、Ｔ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、洗浄効果を向上させることが期待できる。

・半導体素子製造時、ウェハの研磨液体としてＴ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、研磨効果を向上させることが期待できる。また、レジスト除去工程においては、Ｔ−ＵＦＢ含有液を用いることにより、剥離が困難なレジストの剥離を促すことが期待できる。

・医療ロボット、歯科治療器、臓器の保存容器などの医療機器の、洗浄や消毒を行うための器機に、Ｔ−ＵＦＢ生成ユニットを配することにより、これら器機の洗浄効果や消毒効果の向上を期待することができる。また、生物の治療などにも適用可能である。

（Ｃ）医薬品用途
・化粧品などにＴ−ＵＦＢ含有液を含有させることで、皮下細胞への浸透を促進するとともに防腐剤や界面活性剤などの皮膚に悪影響を与える添加剤を大幅に低下させることができる。その結果、より安心で、且つ、機能性のある化粧品を提供する事ができる。

・ＣＴやＭＲＩなどの医療検査装置の造影剤に、Ｔ−ＵＦＢを含有する高濃度ナノバブル製剤を活用することで、Ｘ線や超音波による反射光を効率的に活用でき、より詳細な撮影画像を得る事ができ、悪性腫瘍の初期診断などに活用できる。

・ＨＩＦＵ（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）と呼ばれている超音波治療器で、Ｔ−ＵＦＢを含有する高濃度ナノバブル含有液体を用いることで、超音波の照射パワーを低下でき、より非侵襲的に治療をすることができる。特に、正常な組織へのダメージを低減することが可能になる。

・Ｔ−ＵＦＢを含有する高濃度ナノバブルを種にして、気泡周囲のマイナス電荷領域にリポソームを形成するリン脂質を修飾させ、そのリン脂質を介して、各種医療性物質（ＤＮＡや、ＲＮＡなど）を付与したナノバブル製剤を作成することができる。

・歯髄や象牙質再生治療として、Ｔ−ＵＦＢ生成による高濃度ナノバブル含有液体を含む薬剤を歯管内に送液すると、ナノバブル含有液体の浸透作用により薬剤が象牙細管内に深く入り込み除菌効果を促進し、歯髄の感染根管治療を短時間かつ安全に行う事が可能である。

（第１実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態を説明する。本実施形態におけるＵＦＢ含有液作製装置は、その一部の構成要素が正常に機能しない状態となった場合にも、継続してＵＦＢ含有液を供給することが可能な構成を有する。このため、故障部品の交換処理などに起因してＵＦＢ含有液の供給が中断するという従来の装置の課題を解消することが可能となる。以下、本実施形態の有効性を明確にするため、まず、従来の装置の概略構成を説明し、その後、本実施形態の構成、作用を説明する。

図２１は従来のＵＦＢ含有液作製装置の概略構成を示す図である。液体入力部１０１はＵＦＢを生成する対象の液体（例えば、水）を、開閉バルブＶ１０１を介して液体入力槽１０２に供給する。液体入力槽１０２には、液体入力部１０１から供給されるＵＦＢ生成前の液体と、循環ポンプ１０６から供給されるＵＦＢ生成後のＵＦＢ含有液とが供給され、両液体が混合された液体を気体溶解部１０３に供給する。

気体溶解部１０３は液体入力槽１０２から供給された液体に気体を溶解させて気体溶解液を作製し、気体溶解液出力槽１０４に供給する。気体の溶解方法としては、加圧溶解法やバブリング等の手法を用いる。気体溶解液出力槽１０４は気体溶解部１０３から供給された気体溶解液を受け、ＵＦＢ生成部１０５に供給する役割を果たす。

ＵＦＢ生成部１０５は、気体溶解液出力槽１０４から供給された気体溶解液内にＵＦＢを発生させてＵＦＢ含有液を作製し、作製したＵＦＢ含有液をＵＦＢ液出力槽１０７に供給する。ＵＦＢ液出力槽１０７は、ＵＦＢ生成手段１０５から供給されたＵＦＢ含有液を受容し、循環ポンプ１０６またはＵＦＢ含液出力部１０９にＵＦＢ含有液を供給する役割を果す。

循環ポンプ１０６は、ＵＦＢ液出力槽１０７からＵＦＢ含有液を吸引し、液体入力槽１０２に供給する役割を果たす。循環ポンプ１０６が、液体入力槽１０２→気体溶解部１０３→気体溶解液出力槽１０４→ＵＦＢ生成手段１０５→ＵＦＢ液出力槽１０７→循環ポンプ１０６→液体入力槽１０２、という循環経路において液体の循環を行う。このように液体を循環させることにより、所望の密度のＵＦＢが存在するＵＦＢ含有液を作製することができる。作製されたＵＦＢ含有液は開閉バルブＶ１０７を介してＵＦＢ含有液出力部１０９へと出力される。ＵＦＢ含液出力部１０９は、洗浄装置や医療機器などの種々のＵＦＢ利用機器に対してＵＦＢ含有液を供給する。

循環経路を循環する間に、液体は、以下のように変化する。

・気体溶解部１０３で溶解された気体がＵＦＢ生成部１０５でＵＦＢ化されることにより、液体中の溶存気体量が低下する（但し、気体の総量である溶存気体＋ＵＦＢ内気体量はほぼ変わらない）。

・溶存気体量が低下した液体は、循環経路を通って再び気体溶解部１０３に流入し、溶存気体量が増加する。これにより、気体の総量（溶存気体量＋ＵＦＢ内気体量）が増加する。

・溶存気体量は温度と気体種別によって定まる一定値で飽和するが、気体の総量（溶存気体＋ＵＦＢ内気体量）が飽和溶存気体量よりも大きい安定した気体内包液体が作製される。

また、液体入力部１０１と液体入力槽１０２との間に開閉バルブＶ１０１が設けられ、ＵＦＢ液出力槽１０７とＵＦＢ液体出力部１０９との間に開閉バルブＶ１０７が設けられている。開閉バブルＶ１０１，Ｖ１０７は、いずれもＵＦＢ液体を作製する際には開状態（連通状態）にある。気体溶解部１０３、ＵＦＢ生成部１０５、循環ポンプ１０６のいずれかを交換する場合には、開閉バルブＶ１０１及び開閉バルブＶ１０７を閉状態（遮断状態）として交換処理を行う。交換処理が完了すると、開閉バルブＶ１０１及び開閉バルブＶ１０７を開状態としてＵＦＢ含有液の作製を再開する。

上記のように、従来のＵＦＢ含有液作製装置には、１つの循環経路が構成されている。循環経路には、気体溶解部１０３、ＵＦＢ生成手段１０５、循環ポンプ１０６などの構成要素が含まれており、これらに動作不良が発生する可能性がある。循環経路の一部の構成要素に動作不良が発生した場合、構成要素の交換・修理などの処理を行うことが必要となる。この場合、処理が完了するまでは、ＵＦＢ含有液の作製が停止し、ＵＦＢ液出力部１０９へのＵＦＢ含有液の供給が遮断されることとなる。

このため、ＵＦＢ液出力部１０９に接続されている不図示のＵＦＢ利用機器が、常時一定のＵＦＢ液体の供給を受ける必要が有るものである場合、ＵＦＢ含有液作製装置の停止に伴ってＵＦＢ利用機器の稼動も停止させる状況に陥る可能性がある。従って、医療機器やプラント等の連続稼働を必要とする状況で用いられるＵＦＢ利用機器では、ＵＦＢ含有液作製装置の停止が極めて大きな影響を及ぼすこととなる。本実施形態は、このような従来の装置の課題を解決し得るものであり、装置内の一部に動作不良が生じた場合にも、継続してＵＦＢ含有液の供給を行うことが可能な構成を有している。

図１２は、本実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。ここに示すＵＦＢ含有液作製装置１Ａは、液体入力部１０１０と、ＵＦＢ液作製部１０２０と、ＵＦＢ液出力バッファ槽（以下、バッファ槽という）１０３０と、ＵＦＢ液出力部（液体出力部）１０４０とを有する。

ＵＦＢ液作製部１０２０は、開閉バルブＶ１０を介して液体入力部１０１０に接続されている。さらに、ＵＦＢ液作製部１０２０（作製部）は、開閉バルブＶ２０を介してＵＦＢ液出力バッファ槽１０３０に接続されている。ＵＦＢ出力バッファ槽１０３０は、開閉バルブＶ３０を介してＵＦＢ液出力部１０４０に接続されている。

図１３は、図１２に示すＵＦＢ含有液作製装置１Ａの構成をより詳細に示すブロック図である。ＵＦＢ含有液作製装置１Ａには、前述のように、液体供給部１０１０と、ＵＦＢ液作製部１０２０と、バッファ槽１０３０と、ＵＦＢ液出力部１０４０とが設けられている。ＵＦＢ液作製部１０２０は、液体入力槽１２０２と、気体溶解部１２０３と、気体溶解液出力槽１２０４と、ＵＦＢ生成部１２０５と、ＵＦＢ液出力槽１２０７と、循環ポンプ１２０６とを含み構成されている。

ＵＦＢ液作製部１０２０は、液体入力部１０１０から供給された液体を循環させつつ所望の濃度のＵＦＢ含有液を作製することが可能な構成を有している。ＵＦＢ液作製部１０２０で作製したＵＦＢ含有液は、開閉バルブＶ２０を介してバッファ槽１０３０に蓄積された後、開閉バルブＶ３０を介してＵＦＢ液出力部１０４０に供給される。ＵＦＢ液出力部１０４０に供給されたＵＦＢ含有液は、不図示のＵＦＢ利用機器に供給される。ＵＦＢ利用機器としては、先の基本構成において説明したように、洗浄装置や医療機器等をはじめとする種々の装置を挙げることができる。

また、上記の各構成要素の間には、６個の開閉バルブが設けられている。すなわち、液体入力槽１２０２と気体溶解部１２０３１の間には開閉バルブＶｉｎ１が設けられ、気体溶解部１２０３と気体溶解液出力槽１２０４との間には開閉バルブＶｏｕｔ１が設けられている。また、気体溶解液出力槽１２０４とＵＦＢ生成部１２０５との間には開閉バルブＶｉｎ２が設けられ、ＵＦＢ生成部１２０５とＵＦＢ液出力槽１２０７との間には開閉バルブＶｏｕｔ２が設けられている。さらに、ＵＦＢ液出力槽１２０７と循環ポンプ１２０６との間には開閉バルブＶｉｎ３が設けられ、循環ポンプ１２０６と液体入力槽１２０２との間には開閉バルブＶｏｕｔ３が設けられている。これらのバルブは、各構成要素の交換時には閉状態とし、交換処理が終了した後には開状態として、交換した構成要素の再稼働を行う。

また、液体入力部１０１０と液体入力槽１２０２との間には開閉バルブＶ１０が設けられ、ＵＦＢ液出力槽１２０７とバッファ槽１０３０との間には開閉バルブＶ２０が設けられている。さらに、バッファ槽１０３０とＵＦＢ液出力部１０４０との間には開閉バルブ３０が設けられている。気体溶解部１２０３、ＵＦＢ生成部１２０５、及び循環ポンプ１２０６を着荷時等に設置する場合には、開閉バルブＶ１０，Ｖ２０を閉状態とし、液体の流通が遮断された状態とする。そして、着荷後の設置処理が完了した状態で、開閉バルブＶ１０及び開閉バルブＶ３０を開状態としてＵＦＢ液の作製を開始する。

ここで、上記各部の機能について説明する。液体入力部１０１０は、ＵＦＢを生成する対象の液体（例えば、水）を、開閉バルブＶ１０を介して液体入力槽１２０２に供給する。液体入力槽１２０２は液体入力部１０１０から供給される液体と、循環ポンプ１２０６から供給されるＵＦＢ含有液を受容する。また、液体入力槽１２０２は、液体入力部１０１０から供給される液体と循環ポンプ１２０６から供給されるＵＦＢ含有液との混合液を、開閉バルブＶｉｎ１を介して、気体溶解部１２０３に供給する役割を果たす。

気体溶解部１２０３は、液体入力槽１２０２から供給される液体に気体を溶解させて気体溶解液を作製し、作製した気体溶解液を、開閉バルブＶｏｕｔ１を介して気体溶解液出力槽１２０４に供給する。なお、液体に対して気体を溶解させる方法としては、加圧溶解法やバブリング等の手法を用いる。

気体溶解液出力槽１２０４は、気体溶解部１２０３から供給される気体溶解液を受容し、受容した気体溶解液を、開閉バルブＶｉｎ２を介して、ＵＦＢ生成部１２０５に供給する。

ＵＦＢ生成部１２０５は、気体溶解液出力槽１２０４から供給された気体溶解液に対しＵＦＢを生成する。本実施形態では、前述の基本構成と同様に、ヒータを用いたＴ−ＵＦＢ方式によって、供給された気体溶解液中にＵＦＢを生成する。ＵＦＢを含有したＵＦＢ含有液は、ＵＦＢ液出力槽１２０７に移送される。

ＵＦＢ液出力槽１２０７は、ＵＦＢ生成部１２０５からＵＦＢ含有液の供給を受け、循環ポンプ１２０６及びバッファ槽１０３０に供給する役割を果たす。循環ポンプ１２０６は、ＵＦＢ液出力槽１２０７からＵＦＢ含有液の供給を受け、液体入力槽１２０２に供給する。

なお、以上の各構成要素には、前述の基本構成に示した各部の構成を適用することができる。すなわち、液体入力槽１２０２には、基本構成に示した前処理装置１００の構成を適用することができる。気体溶解部１２０３及び気体溶解液出力槽１２０４には、基本構成に示した溶解ユニット２００の構成を適用することができる。ＵＦＢ生成部１２０５には、基本構成に示したＴ−ＵＦＢ生成ユニット３００の構成を適用することができる。ＵＦＢ液出力槽１２０７には、基本構成に示した後処理ユニット４００の構成を適用することができる。さらに、ＵＦＢ液出力部１０４０には、基本構成に示した回収ユニット５００を適用することができる。

バッファ槽１０３０は、ＵＦＢ液出力槽１２０７からＵＦＢ含有液の提供を受けて蓄積することにより、後述のＵＦＢ液出力部１０４０に対して一定量のＵＦＢ含有液を供給する役割を果たす。ＵＦＢ含有液をバッファ槽１０３０に出力・蓄積する際にはバルブＶ１０及びバルブＶ２０は開状態、すなわちＵＦＢ含有液が流通可能な状態とする。

また、ＵＦＢ含有液のＵＦＢ濃度を向上させる際にはバルブＶ１０およびバルブＶ２０は閉状態となる。同様に、気体溶解部１２０３、ＵＦＢ生成部１２０５、循環ポンプ１２０６のいずれかを交換する場合には、バルブＶ１０，バルブＶ２０，Ｖｉｎ１，Ｖｏｕｔ１，Ｖｉｎ２，Ｖｏｕｔ２，Ｖｉｎ３，及びＶｏｕｔ３を閉状態として交換処理を行う。

バッファ槽１０３０とＵＦＢ液出力部１０４０との間に設けられたバルブＶ３０は、ＵＦＢ含有液を作製する際には開状態となり、ＵＦＢ含有液の作製を終了する際には閉状態となる。

バッファ槽へのＵＦＢ含有液の出力速度＞ＵＦＢ液出力部へのＵＦＢ含有液の出力速度
であれば、ＵＦＢ含有液の作製時には、（バッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の出力速度−ＵＦＢ液出力部１０４０へのＵＦＢ含有液の出力速度）に相当する余剰のＵＦＢ含有液が作製される。この余剰のＵＦＢ含有液はバッファ槽１０３０に蓄積される。

構成要素の交換処理等においてＵＦＢ含有液の作製が停止した場合には、バッファ槽１０３０に蓄積されているＵＦＢ含有液をＵＦＢ液出力部１０４０に供給する。

本実施形態では、ＵＦＢ液蓄積時には、バッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の出力速度を、
バッファ槽１０３０への出力速度≒ＵＦＢ含有液出力部１０４０への出力速度×２
となるように設定している。

また、ＵＦＢ含有液を蓄積しない定常状態では、バッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の出力速度を、
バッファ槽１０３０への出力速度≒ＵＦＢ液出力部１０４０への出力速度
となるように設定している。

このようにバッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の出力速度を設定することで、気体溶解部１２０３、ＵＦＢ生成部１２０５、循環ポンプ１２０６のいずれかを交換する場合にも、バッファ槽１０３０に蓄積されているＵＦＢ含有液を用いて、ＵＦＢ含有液の供給を継続することができる。このため、ＵＦＢ含有液の供給を中断せずに、各構成要素の交換処理を行なうことが可能になる。但し、単にバッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の出力速度を単に２倍にしただけでは、バッファ槽１０３０からＵＦＢ液出力部１０４０に供給されるＵＦＢ含有液のＵＦＢ濃度が低下することとなる。これは、水入力槽１２０２とバッファ槽１０３０との間を流れるＵＦＢ含有液の流量が２倍に増大するのに対して、ＵＦＢ生成部１２０５におけるＵＦＢの生成量、気体溶解部１２０３における気体の溶解量、及び循環量が定常状態と同量であることによる。

そこで、本実施形態では、ＵＦＢ濃度を低下させずに、ＵＦＢ含有液の作製と構成要素の交換処理とを並行して実施可能にする制御を行う。

図１５に本実施形態によって実行される制御のタイミングチャートを示す。図５における縦軸は、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６それぞれの動作率と、バッファ槽１０３０のＵＦＢ含有液の蓄積量と、を示している。また、図５における横軸は、時間の経過を表している。横軸におけるＴ１〜Ｔ９のそれぞれは、各部の駆動時間の基準となるタイミングを示しており、隣接する２つのタイミングの間の時間を１単位時間としている。

本実施形態において、定常状態での動作を行っている期間（Ｔ２〜Ｔ３、Ｔ５〜Ｔ６、Ｔ６〜Ｔ７、Ｔ７〜Ｔ８、Ｔ８〜Ｔ９）における各部品の動作率を１００％とする。この動作率１００％で駆動している状態を、ＵＦＢ含有液の作製量と供給量とが同量である状態、すなわち、前述の（バッファ槽への出力速度≒ＵＦＢ水出力部への出力速度）の状態とする。この状態では、バッファ槽１０３０内のＵＦＢ含有液の蓄積量は変化しない。

ＵＦＢ含有液の蓄積を行う期間（Ｔ０〜Ｔ１，Ｔ１〜Ｔ２，Ｔ４〜Ｔ５）では、バッファ槽１０３０からＵＦＢ液出力部１０４０へのＵＦＢ含有液の出力を行いつつ、バッファ槽１０３０にＵＦＢ含有液を蓄積する。このときの各構成要素の動作率を２００％とする。この場合、作製されるＵＦＢ含有液のうち、１００％分がＵＦＢ液出力部１０４０へ出力される。そのため、バッファ槽１０３０には、単位時間当たりに１００％分のＵＦＢ含有液が蓄積される。

ＵＦＢ生成部１２０５の動作率を向上させる場合、ＵＦＢ生成部１２０５に設けられているヒータの駆動周波数を増大させる。本実施形態ではＵＦＢ生成部１２０５の動作率を２００％とする場合、ヒータの駆動周波数を２倍に増加する。また、気体溶解部１２０３の動作率を増大させるためには、気体の流量を増加する方法、気体溶解部内の圧力を高める方法等がある。また、循環ポンプ１２０６の動作率の増大は、ポンプの回転数を増加させて流速を上昇させることにより行う。

また、構成要素の交換の行われる期間Ｔ３〜Ｔ４において各構成要素の動作率は０％である。しかし、この期間にも、バッファ槽１０３０からＵＦＢ液出力部１０４０へのＵＦＢ液の出力が１００％分行われるため、バッファ槽１０３０内のＵＦＢ含有液の蓄積量は１００％分減少する。

例えば、Ｔ０〜Ｔ１の期間においては、ＵＦＢ含有液の出力と蓄積を行うために各構成要素の動作率は２００％となっている。また、本例では、バッファ槽１０３０における最大蓄積量を２００％の動作率に相当する液量としている。そして、Ｔ１〜Ｔ２の期間でＵＦＢ含有液の蓄積量が最大量に到達するため、Ｔ２〜Ｔ３の期間では各部品の動作率が定常状態の１００％となっている。そして、部品交換を行うＴ３〜Ｔ４の期間では、各構成要素の動作率は０％となり、ＵＦＢ含有液の作製・蓄積は行わない。しかし、ＵＦＢ含有液のＵＦＢ液出力部１０４０への出力は継続する。このため、蓄積量は２００％→１００％に減少することとなる。この後、部品交換が終了したＴ４のタイミングで、再びＵＦＢ含有液の作製・蓄積を再開し、貯蓄量が２００％となるタイミングＴ５以降では、各部品の動作率を１００％とし、再び定常状態に戻る。

このように、交換タイミングに達する前の蓄積時に、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６を動作率２００％で動作させることにより、ＵＦＢ濃度を低下させずにＵＦＢ含有液の作製量を増加させ、バッファ槽１０３０に蓄積しておく。そして、構成要素の交換中に、蓄積しておいたＵＦＢ含有液をＵＦＢ液出力部１０４０に供給する。これにより、ＵＦＢ濃度を低下させずにＵＦＢ含有液の供給と構成要素の交換とを並行して実施することが可能になる。

ここで、上記のような制御を実施するための制御系の概略構成を、図１４のブロック図に基づき説明する。図１４において、制御部１０００は、例えば、ＣＰＵ１００１、ＲＯＭ１００２、ＲＡＭ１００３などを含み構成されている。ＣＰＵ１００１は、ＵＦＢ含有液作製装置１Ａの全体を統括的に制御する制御手段としての機能を果たす。ＲＯＭ１００２はＣＰＵ１００１によって実行される制御プログラムや所定のテーブル、及びその他の固定データを格納している。ＲＡＭ１００３は、種々の入力データを一時的に格納する領域や、ＣＰＵ１００１によって処理を実行する際の作業領域等を有する。操作表示部６０００は、ユーザによってＵＦＢ含有液のＵＦＢ濃度やＵＦＢ作製時間等を含む種々の設定操作を行う設定部６００１と、ＵＦＢ含有液の作製所要時間や装置の状態表示などを行う表示部（表示手段）６００２と、を備える。

制御部１０００には、素子基板１２に設けられた複数の発熱素子１０（図５（ａ）参照）を有する発熱部１０Ｇの各発熱素子１０の駆動を制御する発熱素子駆動部（駆動手段）２０００を有する。発熱素子駆動部２０００は、ＣＰＵ１００１からの制御信号に応じた駆動パルスを発熱部１０Ｇに含まれる複数の発熱素子１０のそれぞれに印加する。各発熱素子１０は、印加された駆動パルスの電圧、周波数、パルス幅などに応じた熱を発する。

制御部１０００は、各ユニットに設けられた開閉バルブ等からなるバルブ群３０００の制御を行う。さらに、制御部１０００は、ＵＦＢ含有液作製装置１Ａ内に設けられた各種ポンプからなるポンプ群４０００や不図示のモータなどの制御も行う。また、Ｔ−ＵＦＢ含有液作製装置１Ａには、種々の計測を行う計測部５０００が設けられている。この計測部５００には、例えば作製されているＵＦＢ含有液のＵＦＢ濃度や流量の計測を行う計測器、及びバッファ槽１０３０におけるＵＦＢ含有液の蓄積量を計測する計測器などが含まれる。この計測部５０００から出力された計測値は制御部１０００に入力される。

図１６及び図１７は、制御部１０００によって実行されるＵＦＢ含有液作製時の制御動作を示すフローチャートであり、図１６はメインフローを、図１７はサブフローを示している。前述のように本実施形態では、ＵＦＢ含有液作製装置１Ａの構成要素の一部が動作不良となった場合にも、ＵＦＢ濃度を低下させずに、構成要素の交換とＵＦＢ含有液の作製とが並行して実行されるような制御を行う。なお、図１６及び図１７のフローチャートの各工程番号に付されているＳはステップを意味している。

図１６において、Ｓ４０１では液体の充填を行う。これは、図１３に示す開閉バルブＶ１０及び各構成要素の入口及び出口に接続された６個の開閉バルブを開状態とし、開閉バルブＶ２０だけを閉状態とする。各構成要素への液体の充填が完了すると、開閉バルブＶ２０を開状態として液体の充填が完了する。次に、Ｓ４０２でＵＦＢ含有液の作製を開始する。

ここでは、気体溶解部１２０３、ＵＦＢ生成部１２０５、循環ポンプ１２０６を全て動作させる。次に、Ｓ４０３〜Ｓ４１４において、各構成要素の交換処理の要否を判断し、その判断結果に基づいて動作不良が発生している構成要素に対する交換処理を行う。具体的には、以下の処理を実行する。

まず、Ｓ４０３では、ＵＦＢ生成部１２０５の交換が必要になったかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合（交換を必要とする場合）には、Ｓ４０４に進む。また、判定結果がＮＯの場合（交換を必要としない場合）にはＳ４０５に進む。なお、本実施形態では、ＵＦＢ生成部１２０５のＵＦＢ生成方法として、基本構成で説明したＴ−ＵＦＢ方法を採用している。このため、ＵＦＢ生成部１２０５の交換を必要とするか否かの判定方法としては、
・各ＵＦＢ生成部に設けられた所定の割合のヒータが経時劣化によって加熱できなくなった状況を検出する方法
・実際の生成部の累積ヒート回数が、予め設定されているヒート回数に達した状況を検出する方法
・ＵＦＢ濃度計によってＵＦＢ生成部１２０５で作製したＵＦＢ含有液のＵＦＢ濃度を取得することでＵＦＢ作製性能の劣化を取得する方法
等がある。

このような判定方法により、Ｓ４０３においてＵＦＢ生成部１２０５の交換が必要となったと判定された場合、Ｓ４０４では、ＵＦＢ生成部１２０５の交換処理を行う。この交換処理の詳細を図１７に示す。

図１７において、Ｓ４０４１では、ＵＦＢ生成部１２０５の交換が必要である旨を表示し、ユーザに通知する。次に、Ｓ４０４２では、交換対象であるＵＦＢ生成部１２０５の駆動を停止すると共に、気体溶解部１２０３及び循環ポンプ１２０６の駆動を停止する。

次に、Ｓ４０４０３では、ＵＦＢ液出力槽１２０７の出口側の開閉バルブＶ２０を開状態としてＵＦＢ液出力槽１２０７とバッファ槽１０３０とを連通させる。この状態で、液体入力槽１２０２の入口側の開閉バルブＶ１０を閉状態とする。これにより、開閉バルブＶ１０〜開閉バルブＶ２０の間に存在する液体は、バッファ槽１０３０へと流れることになる。

次に、Ｓ４０４０４では、バッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の移送が完了したかを判定する。判定結果がＮＯの場合（完了していない場合）にはＵＦＢ含有液の移送を継続し、Ｓ４０４０４の判定を繰り返す。判定結果がＹＥＳとなった場合（完了した場合）には、Ｓ４０４０５に進む。

Ｓ４０４０５では、バッファ槽１０３０の入口側の開閉バルブＶ２０を閉状態とし、ＵＦＢ液出力槽１２０７とバッファ槽１０３０との連通を遮断する。これにより、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、及び循環ポンプ１２０６は、ＵＦＢ液の作製経路から隔離される。

次に、Ｓ４０４０６では、隔離されたＵＦＢ生成部１２０５が交換可能状態となった旨を表示部６００２（図１４参照）へ表示し、ユーザに通知する。この時点で、ＵＦＢ含有液の作製経路を覆っている不図示のカバーのロック機構を解除する。この後、作業者はカバーを開けて、ＵＦＢ含有液の作製経路から隔離された第１ＵＦＢ生成部１２０５の交換作業を行う（Ｓ４０４７）。

ＵＦＢ生成部１２０５の交換が終了すると、Ｓ４０４８へ進み、ＵＦＢ生成部１２０５の入口側及び出口側に接続された開閉バルブＶｉｎ２，Ｖｏｕｔ２を開状態とする。これにより、ＵＦＢ生成部１２０５は、ＵＦＢ含有液の作製経路に接続される。このとき、開閉バルブＶｉｎ２を最初に開状態として、液体を十分に注入した後、開閉バルブＶｏｕｔ２を開状態とすることで、ＵＦＢ含有液の作製経路への不要な空気の混入を低減することができる。この際、不図示の大気開放開閉バルブを開状態とすることで、液体の注入を速やかに行うことができる。また、交換後、ＵＦＢ含有液の作製経路を覆うカバーが閉じられると、カバーのロック機構を作動させ、カバーを閉じた状態に保つ。

ＵＦＢ生成部１２０５の交換が終了すると、Ｓ４０４０８へ進み、液体入力槽１２０２の入口側の開閉バルブＶ１０を開状態とする。その結果、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６が、ＵＦＢ含有液の作製経路に接続される。この時、開閉バルブＶ２０を閉状態のままバルブＶ１０を開状態とし、ＵＦＢ含有液を十分に注入することで、不要な空気がＵＦＢ含有液の作製経路へ混入するのを低減することができる。この場合にも、不図示の大気開放バルブを開状態とすることで、作製経路への液体の注入を速やかに行うことができる。

次に、Ｓ４０４０９では、交換済のＵＦＢ生成部１２０５の動作を開始させると共に、気体溶解部１２０３及び循環ポンプ１２０６の動作を再開する。本実施形態では、動作再開後は、バッファ槽１０３０におけるＵＦＢ含有液の貯蓄量が減少しているため、動作率２００％で動作を再開する。

最後に、Ｓ４０４１０で、ＵＦＢ生成部１２０５の交換が完了した旨、及びＵＦＢ生成部１２０５のＵＦＢ生成が再開された旨をユーザに通知し、図１６のＳ４０５に進む。

また、上記の処理において、Ｓ４０４０４の判定処理を行わず、Ｓ４０４０３の時点ですぐに開閉バルブＶ１０及びＶ２０の両方を閉状態とし、開閉バルブＶ１０〜開閉バルブＶ２０の間に存在する液体を、不図示の排液バルブを介して外部に排水しても良い。このようにすることによって、バッファ槽１０３０に、所定のＵＦＢ濃度に達していないＵＦＢ含有液が出力されるリスクを低減することができる。排液時には、上流側に設けた不図示の大気開放バルブを用いることで、排液を速やかに行うことができる。

Ｓ４０５では、気体溶解部１２０３の交換が必要となったかを判定し、判定結果がＹＥＳの場合（交換を必要とする場合）には、Ｓ４０６に進む。判定結果がＮＯの場合（交換を必要としない場合）にはＳ４０７に進む。

Ｓ４０６では、気体溶解部１２０３の交換処理を行う。交換処理の内容は図１７と同様であるため、説明は省略する。但し、交換の必要があるか否かの判定は、ＵＦＢ生成部１２０５の場合とは異なり、気体溶解部の稼働時間が予め設定されている稼働寿命時間に達したか否かを検出する方法等を用いて行う。交換処理が完了すると、Ｓ４０７に進む。

Ｓ４０７では、循環ポンプ１２０６の交換が必要となったか否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合（交換を必要とする場合）には、Ｓ４０８に進む。判定結果がＮＯの場合（交換を必要としない場合）にはＳ４０９に進む。

Ｓ４０８では、循環ポンプ１２０６の交換処理を行う。交換処理の内容は図１７と同様であるため、説明を省略する。但し、交換の必要があるか否かを判定は、不図示の流量系等で循環ポンプの性能の劣化状況を取得する方法、あるいは実際の循環ポンプの稼働時間が予め設定されている稼働寿命時間に達したか否かを判定する方法等を用いて行う。交換処理が完了すると、Ｓ４０９に進む。

Ｓ４０９では、バッファ槽１０３０へＵＦＢ含有液を移送するタイミングであるかを判定する。判定結果がＹＥＳの場合（移送するタイミングである場合）には、Ｓ４１０に進み、判定結果がＮＯの場合にはＳ４１１に進む。

Ｓ４１０では、バッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の移送を行う。具体的には、バルブＶ２０を開状態とする。Ｓ４０４、Ｓ４０６、Ｓ４０８等で交換が行われた後の動作再開時にも、このタイミングで、バッファ槽１０３０へのＵＦＢ含有液の供給を再開させる。

次にＳ４１１では、所定の量のＵＦＢ含有液をＵＦＢ液出力部１０４０に供給する。次にＳ４１２では、所望のＵＦＢ濃度を有するＵＦＢ含有液の所望量の生成が完了したかを判定する。判定結果がＮＯの場合には、Ｓ４０３に進み、ＵＦＢ含有液の作製を継続する。判定結果がＹＥＳの場合には、Ｓ４１３に進む。

次に、Ｓ４１３では、ＵＦＢ含有液の作製を終了する。ここでは、開閉バルブＶ１０を遮断した後、気体溶解部１２０３、ＵＦＢ生成部１２０５、循環ポンプ１２０６を停止する。開閉バルブＶ１０以外の開閉バルブは全て開状態（連通状態）とする。

次にＳ４１４では、生成したＵＦＢ含有液の出力を行う。全てのＵＦＢ含有液がＵＦＢ液出力部１０４０に出力された後、開閉バルブＶ２０を閉状態としてＵＦＢ含有液の作製処理を完了する。この時点では、全ての開閉バルブを遮断する。また、不図示の大気開放バルブを用いることで、作製成されたＵＦＢ水の出力を円滑に行うことができる。

以上のように、本実施形態では、装置内の構成要素が交換タイミングに達する前に、各構成要素の動作率を増大させて適正なＵＦＢ濃度のＵＦＢ含有液をバッファ槽１０３０に蓄積する。このため、ＵＦＢ含有液の作製を行うことができない、交換、修理等の間にも、適正な濃度及び量のＵＦＢ含有液をバッファ槽から継続して供給することが可能になる。従って、本実施形態によれば、構成要素の交換・修理とＵＦＢ含有液の供給とを並行して実施することが可能になり、装置としての信頼性は大幅に向上する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を説明する。上記第１実施形態では、バッファ槽１０３０にＵＦＢ含有液を蓄積することで、交換対象となる構成要素の交換処理中にも適正濃度のＵＦＢ含有液を継続して供給可能にする例を示した。しかし、ＵＦＢ生成部１２０５の交換処理と同時に、気体溶解部１２０３や循環ポンプ１２０６の交換が必要になった場合には、ＵＦＢ含有液の供給を継続できなくなる状況に陥る可能性もある。例えば、作業者が１名だけ配置されている状況で、ＵＦＢ生成部、気体溶解部、循環ポンプ等の複数の構成要素が同時に交換を要する状態になった場合、図１５のＴ３〜Ｔ４の期間で全ての構成要素に対する作業を完了することは困難になる。

そこで、本実施形態では、同一のタイミングで構成要素の交換を要する状態になった場合にも対処可能な制御を行う。なお、本実施形態においても、図１２ないし図１４の構成を有するものとする。

図１８及び図１９に本実施形態によって行われる制御のタイミングチャートを示す。図１８では、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプの１２０６の交換を順次行う場合の制御の一例を示す。ここでは、バッファ槽１０３０におけるＵＦＢ含有液の最大蓄積可能量は４００％としている。

Ｔ０〜Ｔ３の期間では、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６はいずれも動作率２００％で動作している。この動作により、バッファ槽１０３０にはＵＦＢ含有液が蓄積されていき、Ｔ０〜Ｔ１，Ｔ１〜Ｔ２，Ｔ２〜Ｔ３の期間ではいずれも１００％ずつＵＦＢ水貯蓄量が増加していく。Ｔ３〜Ｔ４の期間では、貯蓄率は最大の４００％に達する。このため、Ｔ４〜Ｔ５の期間では、動作率を１００％としている。

この後、Ｔ５〜Ｔ６の期間でＵＦＢ生成部１２０５の交換処理を行う。このとき、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が０％となる。このため、バッファ槽１０３０のＵＦＢ含有液の貯蓄量は１００％減少して３００％となる。

次に、Ｔ６〜Ｔ７の期間では、気体溶解部１２０３の交換を行う。この間にバッファ槽１０３０の貯蓄量は１００％減少して２００％となる。さらに、Ｔ７〜Ｔ８の期間では、循環ポンプ１２０６の交換を行う。バッファ槽１０３０の貯蓄量は１００％減少して１００％となる。ここで全ての交換が完了するので、ＵＦＢ含有液の作製を再開することが可能となる。

次に、Ｔ８〜Ｔ９のタイミングでは再びＵＦＢ液をバッファ槽１０３０に貯蓄する動作を行う。この時、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が２００％となり、バッファ槽１０３０の貯蓄量は１００％増加して２００％となる。

このように各構成要素の交換処理を個別に行う期間中にもバッファ槽１０３０からのＵＦＢ含有液の供給が可能となるように、バッファ槽１０３０に対して事前にＵＦＢ含有液を蓄積させる制御を行う。これにより、ＵＦＢ含有液の供給を継続しながら交換作業を並行して行うことが可能になる。その結果、交換作業者の人数が交換部品数よりも少ない場合であっても、交換作業を遅滞なく順番に行うことができるようになる。

図１８では、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６の交換を順次連続して行う場合の制御を示したが、この場合には、最大貯蓄量を交換すべき構成要素の数に応じて増大させる必要がある。このため、交換対象となる構成要素の数が増えると、その分、最大貯蓄量を大きくすることが必要になる。このような課題を解消するため、図１９に示すような制御を行うことも可能である。

図１９は本実施形態における変形例を示すタイミングチャートであり、ここでは、バッファ槽１０３０における最大貯蓄量を大きくせずに、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６の交換を順番に行えるような制御を行う。

図１９において、バッファ槽１０３０の最大貯蓄可能量は２００％としている。Ｔ０〜Ｔ１の期間では、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６は、いずれも動作率２００％で動作し、バッファ１０３０にはＵＦＢ含有液が蓄積される。Ｔ０〜Ｔ１，Ｔ１〜Ｔ２の期間ではいずれも１００％ずつＵＦＢ含有液の蓄積量が増えていく。Ｔ１〜Ｔ２のタイミングで蓄積率は最大の２００％となるので、Ｔ２〜Ｔ３では、各構成要素の動作率は１００％となっている。

次に、Ｔ３〜Ｔ４の期間でＵＦＢ生成部１２０５の交換を行う。この時、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が０％となり、バッファ槽１０３０の蓄積量は１００％減少して１００％となる。

Ｔ４〜Ｔ５の期間では、再びＵＦＢ含有液をバッファ槽１０３０に蓄積させる動作を行う。この時、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が２００％となり、バッファ槽１０３０の蓄積量は１００％増加して２００％となる。

次に、Ｔ５〜Ｔ６の期間では、気体溶解部１２０３の交換を行う。このとき、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が０％となり、バッファ槽１０３０の蓄積量は１００％減少して２００％となる。

次に、Ｔ６〜Ｔ７の期間では、再びＵＦＢ含有液をバッファ槽１２０６に蓄積させる動作を行う。この時、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が２００％となり、バッファ槽１０３０の貯蓄量は１００％増加して２００％となる。

さらに、Ｔ７〜Ｔ８の期間では、循環ポンプ１２０６の交換を行う。このとき、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が０％となり、バッファ槽１０３０の貯蓄量は１００％減少して１００％となる。

この後、Ｔ８〜Ｔ９の期間では、再びＵＦＢ含有液を蓄積させる動作を行う。このとき、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６のいずれも動作率が２００％となり、バッファ槽１０３０の貯蓄量は１００％増加して２００％となる。

このように各構成要素を個別に交換する前に、その都度、バッファ槽１０３０の貯蓄量を増やすように制御することで、ＵＦＢ含有液の供給を継続しながら交換作業を並行して行うことが可能になる。これにより、交換すべき構成要素の数に拘わりなく、最大貯蓄量を低く抑えることが可能になる。

また、図１９に示す制御を行う場合には、意図的に交換タイミングをずらす必要がある。よって、交換タイミングが近くなる状況が発生した場合には、その旨をユーザに通知して、早目の交換を行うか、ＵＦＢ生成を停止して交換するかの選択を促すことが好ましい。

これまでは、ＵＦＢ生成部１２０５、気体溶解部１２０３、循環ポンプ１２０６それぞれの寿命がほぼ同じであることを前提として説明したが、実際には構成要素毎に寿命は異なる。

従って、
各構成要素の残り寿命の差＞部品交換時間＋ＵＦＢ水蓄積時間
であれば、図１９に示した方法で部品交換が可能である。
これに対し、
各構成要素の残り寿命の差＜部品交換時間＋ＵＦＢ水蓄積時間
であれば、先に寿命に達する構成要素を早目に交換することで交換処理とＵＦＢ含有液の供給とを並行して行うことが可能になる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図２０に基づき説明する。本実施形態では、気体溶解部とＵＦＢ生成部のそれぞれに循環ポンプを配置すると共に、気体溶解部とＵＦＢ生成部をＵＦＢ液出力槽に対して並列に接続した例を説明する。

本実施形態におけるＵＦＢ作製装置１Ｂは、図２０に示すように、液体供給部１０、気体供給部２０、溶解ユニット３０、第１の貯蔵室４０、ＵＦＢ生成ユニット６０、バッファ槽７０を含み構成される。これらの構成要素は、液体や気体が移動できるように配管によって接続される。図中の矢印の実線は液体の流れ、破線は気体の流れを示している。

液体供給部１０には液体１１が貯蔵されている。この液体は、ポンプ２０３によって、配管２０１と配管２０２とで形成される経路を通じて第１の貯蔵室４０に供給される。また配管２０２の途中には脱気部２０４が配置され、液体１１に溶存している気体が除去されるようになっている。脱気部２０４の内部には、気体のみが通過できる不図示の膜が内蔵されており、気体が膜を通過することで気体と液体とに分離される。溶存気体はポンプ２０５によって吸引され、排気部２０６から排気される。このように供給する液体１１の溶存気体を除去しておくことで、後述する所望の気体を最大限に溶かし込むことが可能になる。

気体供給部２０は、液体１１に溶かし込むための所望の気体を供給する機能を有する。気体供給部２０は、所望気体を包括するボンベの他、所望気体を連続的に発生することができる装置などでも良い。例えば、所望気体が酸素の場合、大気を取り込み、不要となる窒素を除去することで、連続的に酸素を生成し、内蔵されるポンプで送り込むようにすることも可能である。

溶解ユニット３０は気体供給部２０から供給される気体を、第１の貯蔵室４０から供給される液体４１に溶解させる機能を有する。なお、この溶解ユニット３０には、不図示の溶解度センサが内蔵されている。

気体供給部２０から供給される気体は、前処理部３２で放電等の処理がなされ、供給管３１を通り、溶解部３３へと送り込まれる。また、溶解部３３には、第１の貯蔵室４０内の液体４１が配管２１１を通って供給される。この液体の供給はポンプ２１３によって行われる。溶解部３３では供給された液体４１に気体を溶解させる。溶解部３３の先には気液分離室３４が配設され、溶解部３３で溶解できなかった気体が排気部３５から排出される。溶解液は配管２１２を通って第１の貯蔵室４０に回収される。

第１の貯蔵室４０は液体４１を貯蔵する。ここで、液体４１とは、より詳細には、溶解ユニット３０で気体を溶解させた溶解液と、ＵＦＢ生成部６０で作製されたＵＦＢ含有液の混合液を指す。

第１の貯蔵室４０には、液面センサ４２が設けられている。液体供給部１０から供給された液体１１の液面が液面センサ４２に達すると、液面センサ４２から制御部へ検出信号が出力される。検出信号を受けた制御部はポンプ１０４の駆動を停止し、第１の貯蔵室４０への液体の供給を停止させる。

第１の貯蔵室４０の外周の全域または一部には冷却部４４が配置されており、これによって液体４１が冷却されるようになっている。液体の温度が低いほど気体の溶解度を高めることができるため、液温は低い方が好ましく、不図示の温度センサで１０℃以下程度に制御されている。

冷却部４４の構成は、液体４１を所望の温度にすることができればどのようなものであっても良く、例えば、ペルチェ素子などの冷却装置の他、不図示のチラーによって低温にされた冷却液を循環させるような方式などを適用することも可能である。この場合、冷却液が循環できる冷却管が外周を取り巻くように取り付けられているか、あるいは、第１の貯蔵室４０の容器が中空構造になっていて、その間を冷却液が通るようにする構成であっても良い。また、冷却管を液体４１の中に通す構成であっても良い。このようにして液体４１が低温に管理され、気体が溶け込みやすい状態とすることで、溶解部３３において、効率良く気体を溶解させることが可能である。

また、第１の貯蔵室４０に接続されている弁４５には、ＵＦＢ含有液を取り出すための取り出し口４６ａが形成された出力管４６が接続されている。出力管４６の取り出し口４６ａはバッファ槽７０に挿入されており、取り出し口４６ａから送出されたＵＦＢ含有液４１はバッファ槽７０に蓄積される。第１の貯蔵室４０には、液体４１のＵＦＢ濃度を計測する不図示の濃度センサが設けられ、その出力によってＵＦＢ濃度が管理されている。液体４１のＵＦＢ濃度が所定値に達した場合には、弁４５を開き、ＵＦＢ含有液４１をバッファ槽７０に送出することができる。なお、取り出し口４６ａは、バッファ槽７０がＵＦＢ含有液を受容できる場所であれば、第１の貯蔵室４０以外の場所に配置されていても良い。また、第１の貯蔵室４０には、液体４１の温度や溶解度のムラを少なくするための撹拌器などを設けても良い。

ＵＦＢ生成ユニット６０は第１の貯蔵室４０から供給される液体４１に溶存している気体からＵＦＢを生成する（気相析出させる）機能を有する。ＵＦＢを生成する手段としては、ベンチュリー方式等、ＵＦＢを生成できるものであればどのようなものでも良く、本実施形態においては、高精細なＵＦＢを効率良く生成するために、膜沸騰現象を応用してＵＦＢを生成する方式（Ｔ−ＵＦＢ方式）を適用している。Ｔ−ＵＦＢ方式は、ヒータ部を発熱させることによって膜沸騰させる。しかし、前述のように、液体４１を１０℃以下程度と低温にしているため、この液体４１がＵＦＢ生成ユニット６０に対する冷却効果をもたらし、ＵＦＢ生成ユニット６０が高温になるのを抑制している。このため、長時間の連続稼働が可能である。なお、多数のヒータを搭載した構成では、発熱量が大きくなって液体４１と接触するだけで昇温してしまう場合もある。この場合には、ＵＦＢ生成ユニット６０に冷却機構を追加すれば良い。具体的な構成としては、前述の基本構成で説明したようなものを適用することが好ましい。

ＵＦＢ生成ユニット６０には、第１のポンプ１０４によって第１の貯蔵室４０から配管１０２及び開閉バルブＶｉｎ６０１を通って液体４１が供給される。ＵＦＢ生成ユニット６０及び開閉バルブＶｉｎ６０１の上流には不純物やごみなどを捕集するフィルタ２２４が配設されており、ＵＦＢ生成部によるＵＦＢの生成が不純物やごみなどによって損なわれるのを抑制している。ＵＦＢ生成部６０で生成されたＵＦＢを含むＵＦＢ含有液は、開閉バルブＶｏｕｔ６０１及び配管１０３を通って第１の貯蔵室４０へと回収される。

なお、図２０では、ＵＦＢ生成装置６０の上流にポンプ１０４を配置した場合を示している。しかしポンプの配置はこれに限定されるものではなく、効率良くＵＦＢ含有液を作製できる位置であれば、他の位置に設けることも可能である。例えば、ＵＦＢ生成装置の下流に配置しても良い。さらに、ＵＦＢ生成部６０の上流と下流の両方に配置しても良い。

バッファ槽７０は、取り出し口４６ａからＵＦＢ含有液を受け取り、一定量蓄積することができる。また、バッファ槽７０には、ＵＦＢ含有液を外部から取り出すための取り出し口７３が配置されており、弁７２を開状態とすることによって、ＵＦＢ含有液を外部へ送出することができる。

以上説明した装置構成において、気体や液体の種類は特に制限されるものではなく、自由に選択することが可能である。また、気体または溶解液と接する部分（配管３１、２１１、２１２、２２１、２２２、ポンプ２１３、２２３、フィルタ２２４、第１の貯蔵室４０、ＵＦＢ生成ユニット６０１の接液部等）は、耐腐食性の強い材料で形成されていることが好ましい。例えば、液説部には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）などのフッ素系樹脂、ＳＵＳ３１６Ｌなどの金属やその他の無機材料が適用されていることが好ましい。これにより、腐食性の強い気体や液体であっても好適にＵＦＢを生成することが可能である。

また、第１，第２ＵＦＢ生成部６０１，６０２におけるＵＦＢ含有液を流動させるポンプ２２３は、ＵＦＢ生成効率を損なわないよう、脈動や流量ばらつきの小さいポンプを適用することが好ましい。これにより、ＵＦＢ濃度のばらつきの小さいＵＦＢ含有液を効率的に作製することができる。

次に、本実施形態のＵＦＢ生成方法について説明する。

上記のように、本実施形態のＵＦＢ生成装置は、第１の貯蔵室４０→溶解ユニット３０→ＵＦＢ生成ユニット６０→第１の貯蔵室４０と、液体４１が流れる循環経路が形成される。この循環経路では、ＵＦＢ含有液を異なる条件で任意に循環させることが可能である。ここで、条件とは、循環流速や循環経路内の圧力、循環タイミング等である。

例えば、ＵＦＢ含有液４１が所定温度まで下がると、まず、気体供給部２０のみを動作し、第１の循環条件で循環する。第１の循環条件は、効率良く気体を溶解させるための条件であり、流速を約５００〜３０００ｍＬ／ｍｉｎ程度、圧力を０．２〜０．６ＭＰａ程度とした。

このとき、ＵＦＢ生成ユニット６０も同一循環経路にあるため、ＵＦＢ生成ユニット６０がノズルなどのように、特定の形状部を液体が通過することでＵＦＢが生成される方式であると、この工程で意図しないサイズの泡が生成されてしまう可能性がある。

これに対し、本実施形態では、Ｔ−ＵＦＢ方式を採用しており、Ｔ−ＵＦＢ方式は微細なヒータを駆動した時の膜沸騰を利用してＵＦＢを生成するため、ヒータを駆動しなければＵＦＢは生成されない。

液体４１が所望の溶解度に達したら、循環と気体供給部２０を停止する。そして、第２の循環条件でＵＦＢ含有液を循環させると共に、ＵＦＢ生成ユニット６０を駆動する。本実施形態では、第２の循環条件として、流速を約３０〜１５０ｍＬ／ｍｉｎ程度、圧力を０．１〜０．２MPa程度とした。Ｔ−ＵＦＢ方式は膜沸騰による発泡〜消泡の過程で発生する圧力差や熱を利用してＵＦＢを生成するため、循環条件としては、比較的低速、低圧（大気圧）が好ましい。

そして、液体４１が所望のＵＦＢ濃度に達したら、ＵＦＢ含有液を取り出す。ＵＦＢ含有液を取り出す際は、第１の貯蔵室４０内の全てを取り出しても良いし、一部だけを取り出しても良い。その後は、ＵＦＢ含有液が必要量に達するまで上記工程を繰り返せば良い。

このように、異なる第１、第２の循環条件で循環することで、気体の溶解とＵＦＢの生成とをそれぞれ最適な条件で行うことができ、効率良く高濃度なＵＦＢ含有液を作製することができる。

このような構成において、バッファ槽７０が取り出し口４６ａから供給されるＵＦＢ含有液の量が、取り出し口７３から送出する量よりも多い場合、バッファ槽７０にはＵＦＢ含有水が蓄積されていくこととなる。

このようにして、予め一定量のＵＦＢ含有液を蓄積しておけば、弁４５を閉状態とした場合にも、一定期間は安定してＵＦＢ含有液を外部に送出し続けることができる。すなわち、表１に示すように弁４５と弁７３を制御することで、バッファ槽７０に蓄積したＵＦＢ含有液を用いて、装置の構成要素の交換中であっても安定的にＵＦＢ含有液の供給を継続することが可能になる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、気体溶解部、ＵＦＢ生成部、循環ポンプ等の構成要素のそれぞれの入口側と出口側の両側に開閉バルブを設け、液体入力部及びＵＦＢ出力バッファ槽との連通、遮断の切換えを構成要素毎に行い得る構成を示した。しかし、本発明はこのような構成に限定されない。本発明は、複数の構成要素を含むＵＦＢ含有液の作製部の全体と、液体入力部及びバッファ槽との連通、遮断の切換えが可能な構成であれば良い。従って、ＵＦＢ含有液の作製部は、液体入力部及びバッファ槽に対して交換可能なものに限定されない。

本発明において、作製部あるいは構成要素は、液体入力部及びバッファ槽との間で、液体の連通、遮断の切換えが可能なものであれば良く、液体入力部及びバッファ槽に対して構造的に離脱可能であるか否かは問わない。つまり、作製部あるいは構成要素が交換あるいは離脱可能なものでない場合にも、装置に接続あるいは固定された状態の修理、調整などの作業を行う上で、本発明は有効である。

また、本発明は、ＵＦＢの生成量を制御可能なＵＦＢ含有液作製装置であれば、適用可能であり、Ｔ−ＵＦＢ方式以外のＵＦＢ生成方式を用いたＵＦＢ含有液作製装置にも適用可能である。

１Ａ，１Ｂ ＵＦＢ含有液作製装置
１０００制御部
１０１０ 液体入力部
１０２０ 作製部
１０３０ ＵＦＢ液出力バッファ槽
１０４０ ＵＦＢ液出力部

Claims (14)

1. 液体入力部から供給された液体を用いてＵＦＢを含有したＵＦＢ含有液を作製し、当該作製したＵＦＢ含有液を出力する作製部と、
   前記作製部から出力された液体を受容し、受容した液体を液体出力部へと出力するバッファ槽と、
   前記作製部から前記バッファ槽へのＵＦＢ含有液の出力を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするＵＦＢ含有液作製装置。
2. 前記制御手段は、前記作製部の動作を停止させる前の所定の期間において前記バッファ槽にＵＦＢ含有液が蓄積されるように前記作製部を制御することを特徴とする請求項１に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
3. 前記制御手段は、前記作製部の動作を停止させる期間に応じて、前記所定の期間において前記作製部から出力されるＵＦＢ含有液の量を制御することを特徴とする請求項２に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
4. 前記制御手段は、前記作製部から出力されるＵＦＢ含有液の出力速度を制御することを特徴とする請求項２または３に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
5. 前記制御手段は、前記所定の期間において前記作製部から出力されるＵＦＢ含有液の出力速度が、前記バッファ槽から出力されるＵＦＢ含有液の出力速度を超えるように前記作製部を制御することを特徴とする請求項４に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
6. 前記制御手段は、前記所定の期間において前記作製部から出力されるＵＦＢ含有液の出力速度が、前記所定の期間とは異なる期間において前記作製部から出力されるＵＦＢ含有液の出力速度を超えるように前記作製部を制御することを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
7. 前記作製部の動作を停止させる期間は、当該作製部に設けられた構成要素の交換・修理を行う期間であり、
   前記制御手段は、前記構成要素の交換・修理が完了した時点で前記作製部を動作させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
8. 前記作製部は、複数の構成要素を含み、
   前記制御手段は、前記複数の構成要素の交換・修理を順番に連続して行う期間に応じて、前記所定の期間において前記作製部から出力されるＵＦＢ含有液の出力速度を制御することを特徴とする請求項２ない７のいずれか１項に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
9. 前記制御手段は、複数の前記構成要素それぞれの交換・修理を行うタイミングを所定の時間を介して設定し、前記各構成要素の交換・修理を行う前の所定の期間に、前記バッファ槽の蓄積量を増大させるように前記作製部から出力されるＵＦＢ含有液の出力速度を制御することを特徴とする請求項８に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
10. 前記制御手段は、前記所定の時間間隔は、前記構成要素の寿命に基づいて定められることを特徴とする請求項９に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
11. 前記作製部は、前記液体入力部から供給された液体にＵＦＢを発生させるＵＦＢ生成部を備え、
    前記制御手段は、前記ＵＦＢ生成部の交換・修理を行う場合には、前記バッファ槽からの液体の出力を行いつつ、前記液体入力部から前記ＵＦＢ生成部への液体の供給及び前記ＵＦＢ生成部の動作を停止させ、前記ＵＦＢ生成部の交換・修理が行われた後は、液体入力部から前記ＵＦＢ生成部への液体の供給及び前記ＵＦＢ生成部の動作を再開させると共に、前記バッファ槽へのＵＦＢ含有液への出力を再開させることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
12. 前記作製部は、前記液体入力部から供給された液体に気体を溶解させる気体溶解部と、前記ＵＦＢ生成部から出力された液体を循環させる循環ポンプと、をさらに備え、
    前記制御手段は、前記ＵＦＢ生成部の交換・修理を行う場合には、前記バッファ槽からの液体の出力を行いつつ、前記液体入力部から前記ＵＦＢ生成部への液体の供給を停止すると共に、前記気体溶解部、前記ＵＦＢ生成部、及び前記循環ポンプの動作を停止し、前記ＵＦＢ生成部の交換・修理が行われた後は、前記液体入力部から前記ＵＦＢ生成部への液体の出力を行いつつ、前記気体溶解部、前記ＵＦＢ生成部、及び前記循環ポンプの動作を再開させると共に、前記バッファ槽へのＵＦＢ含有液への出力を再開させることを特徴とする請求項１１に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
13. 前記ＵＦＢ生成部は、前記液体に膜沸騰を生じさせる発熱素子によって液体にＵＦＢを生成することを特徴とする請求項１１または１２のいずれか１項に記載のＵＦＢ含有液作製装置。
14. 液体入力部から供給された液体を用いてＵＦＢを含有したＵＦＢ含有液を作製部により作製し、当該作製したＵＦＢ含有液を前記作製部から出力する工程と、
    前記作製部から出力されたＵＦＢ含有液を受容するバッファ槽から液体出力部へと出力する工程と、
    前記作製部から前記バッファ槽へのＵＦＢ含有液の出力を制御する工程と、
    を備えることを特徴とするＵＦＢ含有液作製方法。

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